El Spacecraft Bus es el principal componente de soporte del telescopio espacial James Webb , cuyo lanzamiento está previsto para noviembre de 2021. Alberga una multitud de componentes informáticos, de comunicación, de propulsión y estructurales, que unen las diferentes partes del telescopio. [2] Junto con el parasol , forma el elemento de la nave espacial del telescopio espacial. [3] Los otros dos elementos principales del JWST son el módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM) y el elemento del telescopio óptico (OTE). [4] La Región 3 de ISIM también se encuentra dentro del Spacecraft Bus; La región 3 incluye el subsistema ISIM Command and Data Handling y el crioenfriador MIRI.[4]
El autobús de la nave espacial debe soportar estructuralmente el telescopio espacial de 6,5 toneladas, mientras que pesa solo 350 kg (770 libras). [5] Está hecho principalmente de material compuesto de grafito. [5] Fue ensamblado en el estado estadounidense de California en 2015, y luego tuvo que integrarse con el resto del telescopio espacial antes de su lanzamiento planeado en 2018. [6] El bus puede proporcionar una orientación de un segundo de arco ( 1 ⁄ 3600 °) y aísla la vibración hasta dos milisegundos de arco . [7] El puntero fino se realiza mediante el espejo de orientación fina JWST, lo que evita la necesidad de mover físicamente todo el espejo o el autobús. [8]
El autobús de la nave espacial está en el lado "cálido" que mira hacia el Sol y opera a una temperatura de aproximadamente 300 kelvin (80 ° F , 27 ° C ). [9] Todo en el lado que mira hacia el Sol debe poder manejar las condiciones térmicas de la órbita del halo de JWST , que tiene un lado de luz solar continua y el otro sombreado por el parasol de la nave espacial. [5]
Otro aspecto importante del Spacecraft Bus es el equipo central de computación, almacenamiento de memoria y comunicaciones. [10] El procesador y el software dirigen los datos hacia y desde los instrumentos, al núcleo de memoria de estado sólido y al sistema de radio que puede enviar datos a la Tierra y recibir comandos. [10] La computadora también controla la orientación y el momento de la nave espacial, tomando los datos de los sensores de los giroscopios y el rastreador de estrellas, y enviando los comandos necesarios a las ruedas de reacción o propulsores. [10]
Descripción general
El autobús es una caja de fibra de carbono que alberga una gran cantidad de sistemas importantes que mantienen el telescopio en funcionamiento, como los paneles solares y las computadoras. También contiene el refrigerador Miri y algunos componentes electrónicos ISIM.
Hay seis subsistemas principales en el Spacecraft Bus: [12] [2]
- Subsistema de energía eléctrica
- Subsistema de control de actitud
- Subsistema de comunicación
- Subsistema de control y manejo de datos (C&DH) [2]
- Procesador de telemetría de comandos
- Grabador de estado sólido (SSR)
- Subsistema de propulsión
- Subsistema de control térmico
El autobús de la nave espacial tiene dos rastreadores de estrellas , seis ruedas de reacción y los sistemas de propulsión ( tanque de combustible y propulsores ). [13] Dos tareas principales son apuntar el telescopio y realizar el mantenimiento de la estación para su órbita de halo L2 metaestable. [13]
Computación y comunicaciones
Los sistemas informáticos incluyen un almacenamiento de memoria de datos de estado sólido con una capacidad de 58,9 GB. [13] El almacenamiento de memoria se denomina Registrador de estado sólido (SSR) y es parte del Subsistema de manejo de datos y comandos. [2] El SSR tenía un programa de prueba de software diseñado para probar usando una simulación de software del telescopio. [14]
El plato de comunicaciones que puede apuntar a la Tierra está conectado al bus. [15] : Fig. 1 Hay comunicación por radio en banda Ka y banda S. [13] El sistema de telemetría y comando común se basa en el sistema ECLIPSE de Raytheon. [13] El sistema está diseñado para comunicarse con la Red de comunicación del espacio profundo de la NASA. [15] El principal Centro de Ciencias y Operaciones es el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en el estado estadounidense de Maryland. [dieciséis]
Motores de cohetes, control de actitud, etc.
A partir de 2012, el sistema de propulsión utiliza 16 propulsores MRE-1 que pueden proporcionar una libra de empuje cada uno. [5] Son propulsores monopropulsores diseñados para sobrevivir a las condiciones térmicas únicas JWST, incluidos períodos prolongados de luz solar directa y luz reflejada por el parasol. [5] Hay otro conjunto de empujes llamados Impulsores de Aumento de Combustión Secundarios; hay cuatro de estos propulsores y tienen 8 lb F de empuje cada uno. [5] Mientras que los propulsores más pequeños están pensados para ayudar a apuntar con precisión, los propulsores más grandes están pensados para usarse para mantener la posición para mantener la órbita del halo del telescopio. [5] El MRE-1 utiliza hidracina como monopropulsor y los propulsores SCAT más grandes son bi-propulsores. [17] El SCAT también utiliza hidracina ( N
2H
4), pero además el oxidante tetróxido de dinitrógeno ( N
2O
4), como sus dos propulsores. [11] [17] [18]
Propulsores: [11] [19]
- Propulsores aumentados de combustión secundaria (SCAT)
- 4 motores de cohetes bi-propulsores (dos primarios, dos de respaldo) [11]
- Propelentes de hidracina y tetróxido de nitrógeno
- Módulos de doble propulsor (DTM); Motores de cohete monopropelente MRE-1 [11]
- Hay 8 DTM, cada uno con dos motores, para un total de 16 motores.
- 2 tanques de helio de titanio , que proporcionan presurizador no regulado para todos los propulsores. [11]
En general, los propulsores SCAT se utilizan para momentos más grandes y los DTM para momentos más pequeños. [11] Los motores SCAT tienen un impulso específico de 295 segundos. [20]
Como el resto de Webb, incluidos los espejos de berilio expuestos , está diseñado para soportar el nivel esperado de impactos de micrometeoroides . [21]
JWST también tiene seis ruedas de reacción para el control de actitud, que son ruedas giratorias que permiten cambiar la orientación sin usar necesariamente el propulsor para cambiar el impulso. [22] [Se necesita una mejor fuente ] [23] Las ruedas de reacción solo pueden proporcionar una cierta cantidad [se necesita aclaración ] de cambio en el momento angular. [22] [se necesita una mejor fuente ]
Para detectar cambios de dirección, JWST utiliza un giroscopio resonador hemisférico (HRG). [24] Se espera que los HRG sean más confiables que los giroscopios de gas que eran un problema de confiabilidad en el Telescopio Espacial Hubble (HST). Sin embargo, no pueden apuntar con tanta precisión, lo que es superado por el espejo de guía fino JWST. [24] El problema con los giroscopios HST finalmente fue rastreado. (y ver Giroscopios, a continuación)
Térmico
Los sistemas térmicos en el autobús incluyen los conjuntos de cortinas de radiador desplegables. [11] Hay dos, uno vertical (DRSA-V) y uno horizontal (DRSA-H), para vertical y horizontal respectivamente (con respecto al sistema de coordenadas del bus de la nave espacial). [11] La membrana que forma el DRSA es una membrana Kapton recubierta. [11] Otros elementos térmicos en el exterior incluyen un pequeño radiador para la batería. También hay una pantalla de radiador fija inferior estrecha, también hecha de membrana Kapton recubierta. [11] El revestimiento de la membrana es de silicona y VPA. [11] Otras áreas del exterior están cubiertas con aislamiento multicapa JWST (MLI). [11]
Subsistema de energía eléctrica (EPS)
El subsistema de energía eléctrica proporciona electricidad a la nave espacial JWST. [25] Consiste en un conjunto de paneles solares y baterías recargables, [25] [26] un regulador de matriz solar (SAR), una unidad de control de potencia (PCU) y una unidad de adquisición de telemetría (TAU).
Los paneles solares convierten la luz solar directamente en electricidad. [25] Esta potencia bruta se alimenta al SAR, que consta de cuatro convertidores reductores redundantes, cada uno de los cuales opera con un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Si bien el voltaje de salida no está estrictamente regulado, los convertidores reductores no permitirán que el voltaje del bus principal de la nave espacial caiga por debajo de aproximadamente 22 voltios o se eleve por encima de aproximadamente 35 voltios. Con todos los instrumentos científicos y todos los circuitos de soporte "encendidos" simultáneamente, aproximadamente tres de los cuatro convertidores redundantes podrían manejar toda la energía requerida. Por lo general, es necesario que uno o dos convertidores estén funcionando a la vez con los otros dos en espera activa.
La Unidad de Control de Energía (PCU) consiste principalmente en interruptores electrónicos que encienden o apagan cada instrumento científico o dispositivo de soporte bajo el control de la computadora central. Cada interruptor permite que la energía fluya a su instrumento seleccionado desde el SAR. Las comunicaciones con la computadora central se realizan a través de un bus 1553. Además de los interruptores de energía, los procesadores para el algoritmo SAR MPPT están ubicados en la PCU, junto con algunos procesadores de telemetría, procesadores para detectar cuando la nave espacial se ha desconectado de la etapa superior de lanzamiento y algunos controladores de enfriadores criogénicos.
La Unidad de adquisición de telemetría (TAU) consta de interruptores electrónicos para varios calentadores para los lados "cálidos" del telescopio. Además, hay interruptores para los actuadores de despliegue y la mayor parte de los procesadores de telemetría (por ejemplo, medición de temperaturas, energía eléctrica, niveles de combustible, etc.). El TAU se comunica con la computadora central a través del bus 1553.
Tanto la PCU como la TAU contienen sistemas completamente redundantes con uno activo mientras que el otro está en modo de espera o apagado, completamente. Las baterías recargables de JWST son del tipo de iones de litio . [26] Las baterías utilizan la tecnología de celda de carbono duro Sony 18650. [26] Las baterías están diseñadas para soportar vuelos espaciales y deberían soportar 18.000 ciclos de carga y descarga. [26] El panel solar está en lo que se llama una configuración de "arrastre de cola" [ ¿por qué? ] e incluye cinco segmentos. [11] Cada soporte de la estructura del panel solar es un compuesto de fibra de carbono en forma de panal . [11]
Algunas de las primeras configuraciones del autobús tenían dos alas de paneles solares, una a cada lado. [27] Parte del diseño del programa JWST era permitir que diferentes variaciones de diseño "compitieran" entre sí. [27]
Estructura
Aunque el autobús operará en el entorno ingrávido del espacio exterior, durante el lanzamiento debe sobrevivir el equivalente a 45 toneladas. [6] La estructura puede soportar 64 veces su propio peso. [28]
La estructura de la nave espacial proporciona capacidades de vanguardia para respaldar la primera misión ligera del telescopio espacial James Webb.
- Un administrador de naves espaciales del Telescopio Webb citado por Composites World [28]
El bus de la nave espacial está conectado al elemento del telescopio óptico y al parasol a través del conjunto de torre desplegable. [29] La interfaz con el vehículo de lanzamiento en el exterior; tomando la forma de un cono, junto con el adaptador de carga útil transmite el peso y las fuerzas de aceleración hacia las paredes del vehículo de lanzamiento. [30]
La estructura de las paredes del autobús está hecha de compuesto de fibra de carbono y compuesto de grafito . [5] [31]
El bus mide 3508 mm (11,509 pies) de largo sin los paneles solares. [32] De un borde a otro de una pantalla de radiador extendida es de 6.775 mm (22.228 pies); esto incluye la longitud de las dos cortinas del radiador de dos metros de ancho. [32] La matriz solar de arrastre de cola mide 5.900 mm (19,4 pies) pero normalmente forma un ángulo de 20 ° hacia el parasol. [32] La matriz está frente al brazo de despliegue del escudo de los segmentos del parasol, que al final también tiene una pestaña de ajuste adjunta.
La estructura del autobús en sí pesa 350 kg (770 lb). [5]
Una vez que se inicia JWST, comienza a desplegarse y extenderse a su configuración operativa. [33] El plan es que durante su primera semana la torre desplegable se extienda, lo que separará el autobús de la nave espacial superior en unos 2 metros. [33]
Pruebas: Simulador de registrador de estado sólido (SSR) de simulación y prueba (JIST) JWST IV y V
Se desarrolló una simulación de software del registrador de estado sólido con fines de prueba, que admite la simulación de software general de JWST. [14] Esto se denomina simulador JIST SSR y se utilizó para probar el software de vuelo con comunicación SpaceWire y MIL-STD-1553 , en lo que respecta al SSR. [14] Una computadora de placa única Excalibur 1002 ejecutó el software de prueba. [14] El software de prueba SSR es una extensión del software JIST que se denomina núcleo de prueba y simulación integrada JWST (JIST). [14] JIST reúne simulaciones de software de hardware JWST con software JWST real, para permitir pruebas virtuales. [14]
El SSR simulado se creó para respaldar la realización de una versión de prueba de software del JWST, para ayudar a validar y probar el software de vuelo del telescopio. [14] En otras palabras, en lugar de utilizar una versión de hardware de prueba real del SSR, hay un programa de software que simula cómo funciona el SSR, que se ejecuta en otra pieza de hardware. [14]
El SSR es parte del subsistema de manejo de datos y comandos. [2]
Construcción
El elemento de la nave espacial está fabricado por Northrop Grumman Aerospace Systems. [29] Está previsto que el parasol y el autobús se integren en 2017. [34]
En 2014, Northrop Grumman comenzó la construcción de varios componentes de autobuses de naves espaciales, incluidos los giroscopios, los tanques de combustible y los paneles solares. [35] El 25 de mayo de 2016, se completó la integración del panel de la nave espacial. [35] La estructura general del autobús de la nave espacial se completó en octubre de 2015. [6] El autobús de la nave espacial se ensambló en las instalaciones de Redondo Beach, California, Estados Unidos. [6] El bus de la nave espacial completado se encendió por primera vez a principios de 2016. [36]
Los paneles solares completaron una auditoría de diseño preliminar en 2012, pasando a la fase de diseño detallado. [37] Los tanques de combustible y oxidante se enviaron al montaje en septiembre de 2015. [38]
En 2015, se entregaron para la construcción los subsistemas de comunicaciones, los rastreadores de estrellas, las ruedas de reacción, los sensores de sol fino, la Unidad de electrónica de despliegue, los procesadores de telemetría de comando y los mazos de cables. [39]
De 2016 a 2018, hay instalaciones y pruebas para el telescopio y el telescopio más los instrumentos, seguidos del envío al Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas, donde se realizan pruebas ópticas de extremo a extremo en un entorno espacial simulado de crio-temperatura y vacío. ocurrirá ... Luego, todas las piezas se enviarán a Northrop Grumman para el ensamblaje final y las pruebas, luego a la Guayana Francesa para su lanzamiento.
- Paul Geithner, director del telescopio Webb - Técnico, en NASA Goddard [40]
El autobús de la nave espacial se ensamblará con el elemento de la nave espacial y las otras partes en California. [41]
Para el lanzamiento, el bus de la nave espacial se conecta al Ariane 5 en un cilindro inferior Cone 3936 más ACU 2624 y una abrazadera. [30] Es un carenado de lanzamiento contenido, 4,57 metros (15 pies) y 16,19 metros (53,1 pies) de tamaño interior utilizable. [30]
Giroscopios
JWST utiliza un tipo de giroscopio conocido como giroscopio resonador hemisférico (HRG). [24] Este diseño no tiene cojinetes, piezas de fricción, [42] o conexiones flexibles. [24] Este no es un giroscopio mecánico tradicional; en cambio, un HRG tiene un hemisferio de cuarzo vibrante que vibra a su frecuencia de resonancia en el vacío. [24] Los electrodos detectan cambios si la nave espacial se mueve para recopilar la información deseada, y se predice que el diseño tendrá un tiempo medio antes de la falla de 10 millones de horas. [24] Los giroscopios fallaron en varias ocasiones en el telescopio espacial Hubble y tuvieron que ser reemplazados varias veces. Sin embargo, se trataba de un diseño diferente llamado giroscopio de gas, que tiene ciertos beneficios, pero experimentó algunos problemas de confiabilidad a largo plazo. [43] JWST tendrá seis giroscopios, pero solo se requieren dos para apuntar. [42] JWST no necesita apuntar con tanta precisión porque tiene un espejo de dirección fino que ayuda a contrarrestar los pequeños movimientos del telescopio. [42]
El telescopio JWST todavía tiene ruedas de reacción giratorias, que se pueden ajustar para apuntar el telescopio sin usar propulsor. [22] Los giroscopios son sensores que proporcionan información, mientras que las ruedas de reacción son dispositivos que cambian físicamente la orientación de la nave espacial. [22] JWST tiene ruedas de reacción y giroscopios, que trabajan junto con los otros sistemas para mantener el telescopio en la órbita correcta y apuntando en la dirección deseada. [22]
Hay dos usos tradicionales principales de los giroscopios en una nave espacial: para detectar cambios en la orientación y para cambiar realmente la orientación. JWST utiliza HRG como sensores para detectar cambios en la orientación en contraposición a los giroscopios giratorios reales. Sin embargo, también tiene un conjunto de ruedas de reacción giratorias reales para hacer girar el telescopio sin usar propulsor. También tiene un conjunto de pequeños propulsores que pueden cambiar físicamente la actitud del telescopio.
Anillo de atraque
En 2007, la NASA dijo que JWST también tendrá un anillo de acoplamiento que se adjuntará al telescopio para permitir que JWST sea visitado por una nave espacial Orion si dicha misión se vuelve viable. [44] Un ejemplo de misión era si todo funcionaba pero la antena no se desplegaba. [44]
Dos casos notados en los que pequeños problemas causaron problemas para los observatorios espaciales incluyen Spacelab 2 IRT y la nave espacial Gaia ; en cada caso, el material perdido causó problemas. En el Telescopio Infrarrojo (IRT) volado en la misión del Transbordador Espacial Spacelab -2, un trozo de aislamiento de mylar se desprendió y flotó en la línea de visión del telescopio y corrompió los datos. [45] Esto fue en el STS-51-F en el año 1985. [45] Otro caso fue en la década de 2010 en la nave espacial Gaia para el cual se identificó algo de luz parásita proveniente de fibras del parasol, que sobresale más allá de los bordes del proteger. [46]
Integración
El Spacecraft Bus está integrado en todo el JWST durante la construcción. [47] El bus de la nave espacial y el segmento del protector solar se combinan en lo que se llama el elemento de la nave espacial, que a su vez se combina con una estructura combinada del elemento del telescopio óptico y el módulo de instrumentos científicos integrados llamado OTIS. [47] Eso es todo el observatorio, que está montado en un cono que conecta el JWST con la última etapa del cohete Ariane 5. [47] El bus de la nave espacial es donde ese cono se conecta con el resto de JWST.
Ver también
- Bus satélite
- Cronología del telescopio espacial James Webb
- Control de actitud
- Diseño de naves espaciales
- Control térmico de la nave espacial
- Paneles solares en naves espaciales
- Manejo de datos a bordo
Referencias
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enlaces externos
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- Imagen del autobús en construcción
- La página 18 tiene algunos diagramas del bus