От анализатора на космически прах до описанието на модела на научните космически сонди - PDF безплатно изтегляне
Катедра по космически технологии, Технически университет в Мюнхен От космическия анализатор на прах до описанието на модела на научните космически сонди Ralf Srama Пълно копие на дисертацията, одобрена от Катедрата по машиностроене в Техническия университет в Мюнхен за придобиване на академична степен на докторски инженер Председател: Изпитващ дисертацията: Унив.-проф. Д-р инж. Д-р инж. хабил. Р. Фридрих 1. Унив.-проф. Д-р инж. Едуард Игенберг 2-ри ап. Проф. Д-р обратно нат. Eberhard Grün Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Дисертацията е подадена в Техническия университет в Мюнхен на 19 юни 2000 г. и приета от Факултета по машиностроене на 10 ноември 2000 г.
3.91 Междупланетна частица прах
ii СЪДЪРЖАНИЕ Съдържание 1 Въведение 1 1.1 Научна основа. 1 1.1.1 Междупланетен прах. 1 1.1.2 Междузвезден прах. 3 1.1.3 Прах в естествената система. 4 1.1.4 Зареждане на прахови частици. 6 1.2 Мисията на Касини-Хюйгенс. 8 1.2.1 Научни въпроси. 8 1.2.2 Космическата сонда Касини-Хюйгенс. 9 1.2.3 Изисквания към детектора за прах. 9 1.2.4 Външни влияния върху касата на сондата на стаята. 12 1.3 Проблем. 14 1.4 Процедура. 14 2 Системата за космически прах 17 2.1 Подсистемите на анализатора за космическа прах (CDA). 17 2.1.1 Входната решетка (QP). 18 2.1.2 Сензорът за удар (IID). 2.1.3 Химическият анализатор (CAT). 2.1.4 Детекторът с висока скорост (HRD). 21 2.2 Интегрирането и оптимизирането на цялостната система. 23 2.2.1 Конфигурацията. 23 2.2.2 Неизправности. 29 2.2.3 Подготовка на измервателните канали. 32 2.2.4 Софтуер. 40 2.3 Измервания на праховия ускорител. 42 2.4 Първи резултати от цялостната система. 43 2.4.1 Обща функция. 43 2.4.2 Сравнение на лабораторни и полетни измервания. 43 2.4.3 Отворени въпроси. 46
СЪДЪРЖАНИЕ iii 3 Оценката на системата CDA 49 3.1 Процедура за оценка на системата. 49 3.1.1 Преглед на параметрите. 49 3.1.2 Функция за оценка. 51 3.2 Разработване на система за оценка на данните за лабораторните измервания 52 3.2.1 Система за оценка на измерванията. 52 3.3 Определяне на параметрите. 59 3.3.1 Маса, консумация на енергия, обем на данни и скорост на предаване на данни . 59 3.3.2 Разходи. 60 3.3.3 Определяне на скоростта. 61 3.3.4 Определяне на масата. 71 3.3.5 Определяне на посоката. 75 3.3.6 Определяне на товара. 77 3.3.7 Динамични обхвати и долни граници на измерване. 78 3.3.8 Разделителната способност на масата. 78 3.3.9 Податливост на провал. 83 3.3.10 Вероятност за повреда. 87 3.3.11 Откриване на събития и надеждност на събитията. 89 3.4 Научният потенциал на експеримента. 96 3.5 Резултати от оценката. 100 4 Научната космическа сонда 103 103 4.1 Системни елементи и параметри. 103 4.1.1 От космическата сонда за един експеримент към общата система 103 4.1.2 Отношения на параметрите. 105 4.2 Системни функции и научен потенциал. 108 4.3 Космическата сонда Касини-Хюйгенс като пример. 117 4.3.1 Общ преглед на системата. 117 4.3.2 Определяне на системните параметри. 118 4.3.3 Научният потенциал. 120 4.3.4 Дискусия на системата Касини-Хюйгенс. 122 4.3.5 Изглед. 127 4.4 Модел на черупката. 129 5 Резюме 131
iv СЪДЪРЖАНИЕ A Съображения за системата от космически сонди 135 B Разходи за космическа мисия 139 B.1 История и фактори на разходите. 139 Б.2 Оптимизация и тенденции. 141 Б.2.1 Програмиране и управление. 141 Б.2.2 Технически аспекти. 142 B.2.3 DesigntoCost. 143 Б.3 Резюме. 144 C Проблем с наблюдението на космическа сонда 147 C.1 Предложения. 147 В.1.1 Дискусия на първото предложение. 147 В.1.2 Дискусия на второто предложение. 150 D Официалните правила за полет на Касини-Хюйгенс 153 E Дискусия на омега функцията 155 F Комбинаторика и вероятности за откази 157 G Блоковата схема на CDA 165 H Информационен лист за космическата сонда Касини-Хюйгенс 167 H.1 Свойства на космическата сонда. 167 H.2 Събития на мисията. 167 H.3 DieCassiniTour18-5. 168 I информационен лист на космическия анализатор на прах 169
10 1 ВЪВЕДЕНИЕ Фигура 2: Космическият кораб Касини. Вляво и вдясно от CDA праховия експеримент (Cosmic Dust Analyzer) е сондата на Huygens на ESA (вляво) и антените на експеримента с радиоплазмени вълни. Антената има диаметър 4 m. Междупланетно пространство 1. Измервания на праховите потоци и композиции на разстояние 1 AU от слънцето с цел сравнение с резултатите от други космически мисии и със земни познания; Проучване на разпределението на праха отвъд Юпитер. 2. Определяне на радиалния профил на реките на отделни популации като функция от разстоянието от слънцето. Определяне на траекториите и скоростта на различните популации от прах. Идентифициране на източника на прах чрез определяне на елементарния състав (астероид, комета, система на Юпитер, междузвезда.). 3. Определяне на електрическия заряд на частиците и техните процеси на зареждане. Юпитер 1. Сравнение с резултатите от мисията „Галилей“ за определяне на променливи във времето явления. 2. Определяне на елементарния състав на праховите течения от Юпитер. Сатурн 1. Определяне на разпределението на плътността и динамиката на праховите частици в пръстеновидната система и в близост до спътниците на Сатурн.
20 2 КОСМИЧЕСКАТА СИСТЕМА ЗА АНАЛИЗАТОР НА ПРАХ. Въздействието на високоскоростна частица върху повърхността води до множество събития: възниква ударен кратер, частиците и частите от фрагмента на мишената, възниква ударна плазма и се образуват неутрални частици. В зависимост от скоростта на удара и масата на частицата доминират определени процеси. Въздействия при ниски скорости (0). За да се измерват големи множителни сигнали, трябва да се измери напрежението отпред-
Скорост [km/s] R. Srama MPI-K evalu.pro Fri Dec 17 09:37:51 1999 QEoQC_Speed_kmos_1072.ps 90 3 ОЦЕНКАТА НА СИСТЕМАТА CDA 100 10 1072 триъгълник = IID кръст = CAT m. Специална точка = CAT без спектър. 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QC Фигура 43: При въздействие върху IID, съотношението на зареждане на QE към QC показва дали скоростта на удара е по-висока от 15 km/s. Кръстоските (вляво) са въздействия върху CAT, които също показват спектър на въздействие върху множителя. Триъгълниците (вдясно) са IID въздействия. Съотношението QE към QC дава ясна индикация дали въздействието на частиците е възникнало върху IID или CAT. за микропроцесорната система на експеримента. Символът = трябва да се тълкува като заключение в една посока (отляво надясно). Както може да се види от Формула 48, например, ако посоченото условие е изпълнено, това трябва да е IID въздействие. И обратно, не може да се заключи, че всички въздействия на IID също отговарят на това условие. Символът ще бъде използван за това, какъвто е случаят във Формула 43.
Скорост [km/s] R. Srama MPI-K evalu.pro Fri Dec 17 09:46:37 1999 QCoQI_Speed_kmos_1072.ps 3.3 Определяне на параметрите 91 100 10 1072 триъгълник = IID кръст = CAT m. Специална точка = CAT без спектър. 1 0,01 0,01 1,00 10,00 100,00 QC/QI Фигура 44: Съотношението на заряда на QC и QI може да определи мястото на удара, ако скоростта е приблизително известна. Кръстчетата символизират CAT удари със спектър на удар, точките (само слабо видими) CAT удари без спектър на удар и триъгълниците представляват IID въздействия. Обобщение на критериите за въздействие IID Условия 0) до 8) 21 в уравнения 40 до 48 идентифицират въздействията върху голямата цел: 0µs 20 km/s) (40) ti 90% te 90% 10 v> 10 km/s = IID въздействие (42) QE QC> 0,25 IID въздействие (43) QE QI> 2,5 = IID въздействие (много често) (44) QC QP 0,25 = IID въздействие (48) 21 Последователното номериране от 0) до 8) се използва за по-добро сравнение с Софтуер за оценка.
Скорост [км/с] R. Srama MPI-K оценка.pro сб. Юни 05 18:07:15 1999 QElin_amp2_C_o_QIlin_amp1_C_f_speed_psu_kmos_f_269.ps 92 3 ОЦЕНКА НА СИСТЕМАТА CDA 100 10 269 IID триъгълници CAT-with-Spektrum квадратчета IID кръст CAT nospess 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QI Фигура 45: Съотношението на заряда на QE и QI може да определи мястото на удара, ако скоростта е приблизително известна. Кръстчетата символизират CAT въздействия без спектър на въздействие, триъгълниците CAT въздействия със спектър на въздействие и квадратите представляват IID въздействия. Обобщение на критериите за въздействие на CAT от 16) до 30) в уравнения 49 до 63 идентифицират въздействията върху малката цел
116 4 НАУЧНАТА СИСТЕМА ЗА КОСМИЧЕСКИ СОНДИ Научният потенциал P W на космическа сонда сега се изразява чрез надеждността на шината на сондата, степента на интеграция на шината на сондата I B и синергията S и научния потенциал на научните експерименти P WIj. Стойността P W служи като мярка за това колко ефективно цялата сонда може да извършва научни наблюдения. Следователно тази стойност е допълнение към предишните общи дефиниции като Мегабит/разходи, които до момента характеризират подобни системи. Фигури 57 и 58 показват зависимостите на стойността P W. Фигура 57: Зависимост на научния потенциал на космическа мисия PW от степента на интеграция на шината IB с различна надеждност на шината, напр. 1000 Научен потенциал на космическата сонда ZB = 0,9 S = 0,5 IB = 0, 8 100 IB = 0,6 PWIB = 0,5 10 IB = 0,4 IB = 0,3 IB = 0,2 1 5 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Сума от P WI Фигура 58: Диаграмата показва зависимостта на научния потенциал на космическа мисия PW от научния потенциал на нейните инструменти P WI = PP WIj с различни степени на интеграция на шината на космическата сонда IB.
130 4 НАУЧНАТА СИСТЕМА НА СОНДА
133 вероятност да се направят научни открития. При проектирането на космически сонди трябва да се търси интеграция, а не добавяне на подсистемите, за да се минимизират взаимните взаимодействия и да се поддържа нисък брой общи ограничения (ориентация на космическата сонда). За големите системи сложността трябва да увеличи способностите, надеждността и да опрости мисионните операции. Целта е да се оптимизира цялата система, а не да се оптимизират отделните подсистеми. Оптимизирането на степента на интеграция разбира се е по-лесно с малки, по-малко сложни сонди. Функционалните връзки, установени в тази работа за изчисляване на научен потенциал, се основават на собствения ни опит в проекта Касини-Хюйгенс и може да се наложи да бъдат адаптирани към разглежданата мисия. Показаната тук процедура обаче може да бъде приета.
138 РАЗГЛЕЖДАНИЯ НА СИСТЕМАТА ЗА СТАЙНА СОБА и целите на политиката на даден проект. След това от това се избира подходящият критерий за насочване. Вероятно. целите трябва да бъдат адаптирани към водещия критерий, ако напр. е избран моделът на финансов разход, който не трябва да бъде надвишен (водещ критерий 1.). Следващата фаза включва прецизния дизайн на космическия кораб, който може да постигне необходимите цели. Необходимо е да се изчисли необходимата електрическа мощност на необходимите експерименти и тяхното необходимо тегло. Ако изискванията на експериментите са твърде високи, в зависимост от избора на водещ критерий и приоритизирането на под-аспектите, или целите трябва да бъдат предефинирани, за да може да се проектират експериментите по-лесно или по-евтино (декопиране), или космическата сонда трябва да отговаря на нуждите на Експериментите са адаптирани (увеличаване на космическата сонда, увеличаване на усилията по проекта).
Б.3 Обобщение 145 се оказа успешно. Тези мисии обаче не могат да бъдат постигнати при строги спецификации на разходите с висок процент на успех и ниска вероятност за грешки. Други успешни мисии на ESA Cornerstone като Rosetta обаче биха могли да нарекат философията на НАСА за по-бързо и по-евтино по-добро с многобройните си неуспехи.
146 Б РАЗХОДИ НА КОСМИЧЕСКА МИСИЯ
154 D ОФИЦИАЛНИТЕ ПРАВИЛА ЗА ПОЛЕТ НА КАСИНИ-ХУЙГЕНИ
166 G БЛОКОВАТА ДИАГРАМА CDA
167 H информационен лист на космическата сонда Касини-Хюйгенс H.1 свойства на космическата сонда електрическа мощност при Сатурн 660 W начална маса 5600 кг маса научна. Инструменти на орбита 360 кг Маса на пробите на Хюйгенс Инструменти 43,8 кг Брой научни сензори 66 гориво 2500 кг Обем на съхранение на данни 4 Gbit Точност на подравняване 2,0 mrad Стабилност на подравняване 0,036 mrad за 5 s Каталог на звездите 3700 звезди # Шина на микропроцесорни системи 26 Височина 6,8 m Основна диаметър на антената 4 m Дължина на дървото на магнитометъра 11 m Език за програмиране Ada Мощност на предавателя 19 W Скорост на предаване на данни при Сатурн 140 kbit/s Основна тяга на двигателя 445 N Честота на предавателя X-лента Канали за измерване на телеметрия 11000 H.2 Събития на мисията Започнете с Titan IVB 15 октомври 1997 г. Венера # 1 Flyby 26 април 1998 г. Checkout # 1 16 декември 1998-10 януари 1999 г. Венера # 2 Flyby 6/24/1999 Прелитане на Земята 8/18/1999 Влизане на астероиден колан 12/12/1999 Изход на астероиден пояс 4/10/2000 Антена с високо усилване заземена 12/02/2000 Прелитане на Юпитер 30/12/2000 Прелитане на Фиби 6/11/2004 Вкарване на орбита на Сатурн 11/7/2004 Huygens-Probe 6/11/2004 .2004 г. Край на мисията 1 юли 2008 г.
168 H ТАБЛИЦА НА КОСМИЧЕСКАТА СОНДА CASSINI-HUYGENS H.3 Обиколката на Cassini 18-5 Фигура 74: Обиколката на мисията Cassini-Huygens на Сатурн. Цветните сегменти са 1.7.2004-15.2.2005 (бяло), 15.2.2005-1.4.2005 (виолетово), 1.4.2005-7.9.2005 (оранжево), 7.9.2005-22.7.2006 (зелено), 22.7. 2006-30.6.2007 (синьо), 30.6.2007-31.8.2007 (жълто) и 31.8.2007-1.7.2008 (червено). Вътрешната пунктирана линия съответства на полу-голямата ос на орбитата на Титан, външната пунктирана линия съответства на полу-голямата ос на Япет. Посоката на слънцето съответства на + x посоката, z съответства на полярната ос на Сатурн. Единицата на оста е радиусът на Сатурн. Графиката е създадена от К. Grazier.