Od analyzátora kozmického prachu až po modelový popis vedeckých vesmírnych sond - PDF na stiahnutie zadarmo

Katedra kozmických technológií, Technická univerzita v Mníchove Od analyzátora kozmického prachu po modelový popis vedeckých vesmírnych sond Ralf Srama Kompletná kópia dizertačnej práce schválenej Katedrou strojného inžinierstva Technickej univerzity v Mníchove na získanie akademického titulu doktora. Predseda: Posudzovateľ dizertačnej práce: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. R. Friedrich 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. 2. aplikácia Eduarda Igenberga prof. Dr. rer. nat. Eberhard Grün Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Disertačná práca bola predložená na Technickú univerzitu v Mníchove 19. júna 2000 a prijatá na Strojnícku fakultu 10. novembra 2000.

popis

3.91 Medziplanetárna prachová častica

ii OBSAH Obsah 1 Úvod 1 1.1 Vedecké poznatky. 1 1.1.1 Medziplanetárny prach. 1 1.1.2 Medzihviezdny prach. 3 1.1.3 Prach v prírodnom systéme. 4 1.1.4 Náplň prachových častíc. 6 1.2 Misia Cassini-Huygens. 8 1.2.1 Vedecké otázky. 8 1.2.2 Vesmírna sonda Cassini-Huygens. 9 1.2.3 Požiadavky na detektor prachu. 9 1.2.4 Vonkajšie vplyvy na skriňu priestorovej sondy. 12 1.3 Problém. 14 1.4 Postup. 14 2 Systém analyzátora kozmického prachu 17 2.1 Podsystémy analyzátora kozmického prachu (CDA). 17 2.1.1 Časť vstupnej mriežky (QP). 18 2.1.2 Senzor nárazu (IID). 19 2.1.3 Chemický analyzátor (CAT). 20 2.1.4 Vysokorýchlostný detektor (HRD). 21 2.2 Integrácia a optimalizácia celého systému. 23 2.2.1 Konfigurácia. 23 2.2.2 Poruchy. 29 2.2.3 Príprava meracích kanálov. 32 2.2.4 Softvér. 40 2.3 Merania na urýchľovači prachu. 42 2.4 Prvé výsledky celého systému. 43 2.4.1 Všeobecná funkcia. 43 2.4.2 Porovnanie laboratórnych a letových meraní. 43 2.4.3 Otvorené otázky. 46

OBSAH iii 3 Posúdenie systému CDA 49 3.1 Postup posúdenia systému. 49 3.1.1 Prehľad parametrov. 49 3.1.2 Vyhodnocovacia funkcia. 51 3.2 Vývoj systému na vyhodnocovanie údajov pre laboratórne merania 52 3.2.1 Systém na vyhodnocovanie meraní. 52 3.3 Stanovenie parametrov. 59 3.3.1 Hmotnosť, spotreba energie, objem dát a rýchlosť dát. 59 3.3.2 Náklady. 60 3.3.3 Určenie rýchlosti. 61 3.3.4 Stanovenie hmotnosti. 71 3.3.5 Určenie smeru. 75 3.3.6 Určenie nákladu. 77 3.3.7 Dynamické rozsahy a spodné limity merania. 78 3.3.8 Hmotnostné rozlíšenie. 78 3.3.9 Náchylnosť k zlyhaniu. 83 3.3.10 Pravdepodobnosť poruchy. 87 3.3.11Detekcia udalostí a spoľahlivosť udalostí. 89 3.4 Vedecký potenciál experimentu. 96 3.5 Výsledky hodnotenia. 100 4 Systém vedeckej vesmírnej sondy 103 4.1 Prvky a parametre systému. 103 4.1.1 Od vesmírnej sondy s jedným experimentom k všeobecnému systému 103 4.1.2 Vzťahy parametrov. 105 4.2 Funkcie systému a vedecký potenciál. 108 4.3 Kozmická sonda Cassini-Huygens ako príklad. 117 4.3.1 Prehľad systému. 117 4.3.2 Určenie parametrov systému. 4.3.3 Vedecký potenciál. 120 4.3.4 Diskusia o systéme Cassini-Huygens. 122 4.3.5 Zobraziť. 127 4.4 Model škrupiny. 129 5 Zhrnutie 131

iv OBSAH A Úvahy o systéme vesmírnych sond 135 B Náklady na vesmírnu misiu 139 B.1 História a nákladové faktory. 139 B.2 Optimalizácia a trendy. 141 B.2.1 Programovanie a riadenie. 141 B.2.2 Technické aspekty. 142 B.2.3 DesigntoCost. 143 B.3 Zhrnutie. 144 C Problém pozorovania vesmírnej sondy 147 C.1 Návrhy. 147 C.1.1 Diskusia k 1. návrhu. 147 C.1.2 Diskusia k 2. návrhu. 150 D Oficiálne pravidlá letu Cassini-Huygens 153 E Diskusia o funkcii omega 155 F Kombinatorika a pravdepodobnosť poruchy 157 G Blokový diagram CDA 165 H Údajový list vesmírnej sondy Cassini-Huygens 167 H.1 Vlastnosti vesmírnej sondy. 167 H.2 Misijné udalosti. 167 H.3 DieCassiniTour18-5. Údajový list analyzátora kozmického prachu 168 I 169

10 1 ÚVOD Obrázok 2: Kozmická loď Cassini. Naľavo a napravo od prachového experimentu CDA (Cosmic Dust Analyzer) je sonda Huygens od ESA (vľavo) a antény experimentu s rádiovými plazmami. Anténna anténa má priemer 4 m. Medziplanetárny priestor 1. Meranie prachových tokov a zloženia vo vzdialenosti 1 AU od slnka na účely porovnania s výsledkami iných vesmírnych misií a so zemskými nálezmi; Skúmanie distribúcie prachu za Jupiterom. 2. Určenie radiálneho profilu riek jednotlivých populácií prachu ako funkcia vzdialenosti od slnka. Stanovenie trajektórií a rýchlosti rôznych populácií prachu. Identifikácia zdroja prachu určením elementárneho zloženia (asteroid, kométa, systém Jupiter, medzihviezdny.). 3. Stanovenie elektrického náboja častíc a ich nabíjacích procesov. Jupiter 1. Porovnanie s výsledkami misie Galileo na určenie časovo premenných javov. 2. Stanovenie elementárneho zloženia prachových prúdov z Jupitera. Saturn 1. Stanovenie distribúcie hustoty a dynamiky prachových častíc v prstencovom systéme a v blízkosti Saturnových mesiacov.

20 2 SYSTÉM KOZMICKÉHO ANALYZÁTORA PRACHU. Náraz vysokorýchlostnej častice na povrch vedie k mnohým udalostiam: vytvára sa nárazový kráter, častice a časti cieľového fragmentu, vytvára sa nárazová plazma a vytvárajú sa neutrálne častice. V závislosti od rýchlosti nárazu a hmotnosti častice dominujú určité procesy. Nárazy pri nízkych rýchlostiach (0). Na meranie veľkých multiplikačných signálov je potrebné merať napätie vpredu-

Rýchlosť [km/s] R. Srama MPI-K vyhodnotiť.pro pá 17. prosince 09:37:51 1999 QEoQC_Speed_kmos_1072.ps 90 3 HODNOTENIE SYSTÉMU CDA 100 10 1072 trojuholník = IID kríž = CAT so špec. Bodom = CAT bez spektra. 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QC Obrázok 43: Pri nárazoch na IID ukazuje pomer nabitia QE k QC, či je rýchlosť nárazu vyššia ako 15 km/s. Kríže (vľavo) sú dopady na CAT, ktoré tiež vykazovali spektrum dopadov na multiplikátor. Trojuholníky (vpravo) sú IID dopady. Pomer QE k QC dáva jasný údaj o tom, či došlo k nárazu častíc na IID alebo CAT. pre mikroprocesorový systém experimentu. Symbol = sa má interpretovať ako záver v jednom smere (zľava doprava). Ako je zrejmé napríklad z formuly 48, ak je splnená zadaná podmienka, musí ísť o vplyv IID. Naopak, nemožno dospieť k záveru, že túto podmienku spĺňajú aj všetky vplyvy IID. Použil by sa na to symbol, ako je to vo Formule 43.

Rýchlosť [km/s] R. Srama MPI-K vyhodnotit.pro Pá 12. prosince 09:46:37 1999 QCoQI_Speed_kmos_1072.ps 3.3 Určenie parametrov 91 100 10 1072 Trojuholník = IID kríž = CAT so špec. . 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QC/QI Obrázok 44: Pomer nabitia QC a QI môže určiť miesto nárazu, ak je rýchlosť zhruba známa. Krížiky symbolizujú dopady CAT s dopadovým spektrom, bodky (iba slabo viditeľné) dopady CAT bez dopadového spektra a trojuholníky predstavujú IID dopady. Zhrnutie kritérií vplyvu IID Podmienky 0) až 8) 21 v rovniciach 40 až 48 identifikujú vplyvy na veľký cieľ: 0 µs 20 km/s) (40) ti 90% te 90% 10 v> 10 km/s = vplyv IID (42) QE QC> 0,25 IID vplyv (43) QE QI> 2,5 = IID vplyv (veľmi často) (44) QC QP 0,25 = IID vplyv (48) 21 Pre lepšie porovnanie s hodnotami sa používa postupné číslovanie od 0 do 8). Vyhodnocovací softvér.

Rýchlosť [km/s] R. Srama MPI-K Evalu.pro So Jun 05 18:07:15 1999 QElin_amp2_C_o_QIlin_amp1_C_f_speed_psu_kmos_f_269.ps 92 3 HODNOTENIE SYSTÉMU CDA 100 10 269 IID trojuholníky CAT-with-Spektrum squares IID cross CAT nospektrum 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QI Obrázok 45: Pomer nabitia QE a QI môže určiť miesto nárazu, ak je zhruba známa rýchlosť. Krížiky symbolizujú dopady CAT bez dopadového spektra, trojuholníky dopady CAT s dopadovým spektrom a štvorce predstavujú IID dopady. Zhrnutie podmienok kritéria dopadu CAT 16) až 30) v rovniciach 49 až 63 identifikuje dopady na malý cieľ

116 4 VEDECKÝ SYSTÉM VESMÍRNYCH SOND Vedecký potenciál P W vesmírnej sondy bol teraz vyjadrený spoľahlivosťou zbernice sondy, stupňom integrácie zbernice sondy I B a synergiou S a vedeckým potenciálom vedeckých experimentov P WIj. Hodnota P W slúži ako miera toho, ako efektívne môže celý systém sond vykonávať vedecké pozorovania. Táto hodnota je teda doplnkom k predtým bežným definíciám ako napr Megabitov/nákladov, ktoré zatiaľ charakterizujú takéto systémy. Obrázky 57 a 58 znázorňujú závislosti hodnoty P W. Obrázok 57: Závislosť vedeckého potenciálu vesmírnej misie PW na stupni integrácie zbernice IB s rôznymi spoľahlivosťami zbernice Napríklad 1000 Vedecký potenciál vesmírnej sondy 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 Súčet P WI Obrázok 58: Diagram zobrazuje závislosť vedeckého potenciálu vesmírnej misie PW na vedeckom potenciáli jej prístrojov P WI = PP WIj s rôznymi stupňami integrácie zbernice kozmických sond IB.

130 4 VEDECKÝ SYSTÉM IZBOVÝCH SOND

133 pravdepodobnosť uskutočnenia vedeckých objavov. V dizajne vesmírnej sondy sa musí usilovať o integráciu a nie o pridanie subsystémov, aby sa minimalizovali vzájomné interakcie a udržal nízky počet všeobecných obmedzení (orientácia vesmírnej sondy). Pre veľké systémy by zložitosť mala zvýšiť schopnosti a spoľahlivosť a zjednodušiť operácie misie. Cieľom je optimalizovať celý systém a nie optimalizovať jednotlivé subsystémy. Optimalizácia stupňa integrácie je samozrejme ľahšia s malými, menej zložitými sondami. Funkčné vzťahy stanovené v tejto práci na výpočet vedeckého potenciálu sú založené na našich vlastných skúsenostiach s projektom Cassini-Huygens a možno bude potrebné ich prispôsobiť misii, ktorá sa zvažuje. Tu uvedený postup je však možné prijať.

138 ÚVAHY O SYSTÉME IZBOVÝCH SOND A politických cieľov projektu. Z toho sa potom vyberie príslušné vodiace kritérium. Ak je to potrebné, ciele sa musia prispôsobiť vodiacemu kritériu, ak napr. zvolí sa model neprekračovania finančných nákladov (usmerňovacie kritérium 1.). Ďalšia fáza zahŕňa presný návrh kozmickej lode, ktorý dokáže dosiahnuť požadované ciele. Je potrebné odhadnúť požadovaný elektrický výkon požadovaných experimentov a ich požadovanú hmotnosť. Ak sú požiadavky na experimenty príliš vysoké, v závislosti od výberu smerodajného kritéria a stanovenia priorít čiastkových aspektov je potrebné predefinovať buď ciele, aby bolo možné experimenty ľahšie alebo lacnejšie navrhnúť (dekódovať), alebo kozmickú sondu, v rámci povoleného úsilia, potreby Experimenty sú prispôsobené (zväčšenie vesmírnej sondy, zvýšenie projektového úsilia).

B.3 Zhrnutie 145 sa osvedčilo. Tieto misie však nemožno splniť za prísnych požiadaviek na náklady s vysokou mierou úspešnosti a nízkou pravdepodobnosťou chyby. Iné úspešné misie ESA Cornerstone, ako napríklad Rosetta, by však mohli spochybniť filozofiu NASA „Rýchlejšie lacnejšie“, ktorá spochybňuje jej početné zlyhania.

146 B NÁKLADY NA VESMÍRU

154 D OFICIÁLNE LETOVÉ PRAVIDLÁ KASINI-HUYGÉNOV

166 G SCHÉMA BLOKU CDA

167 H dátový list vesmírnej sondy Cassini-Huygens H.1 vlastnosti vesmírnej sondy elektrický výkon pri Saturne 660 W počiatočná hmotnosť 5600 kg hmotnosť vedecká. Orbiterové prístroje 360 ​​kg vzoriek prístrojov Huygens 43,8 kg # z vedeckých senzorov 66 palivo 2 500 kg objem ukladaných dát 4 Gbits presnosť vyrovnania 2,0 mrad stabilita vyrovnania 0,036 mrad počas 5 s katalóg hviezd 3 700 hviezd # mikroprocesorové systémy zbernice 26 výška 6,8 m priemer hlavnej antény 4 m dĺžka stromu magnetometra 11 m Programovací jazyk Ada Výkon vysielača 19 W Dátový tok pri Saturn 140 kbits/s Ťah hlavného motora 445 N Frekvencia vysielača X-band Telemetrické meracie kanály 11000 H.2 Misijné udalosti Začiatok s Titanom IVB 15. októbra 1997 Venuša č. 1 Prelet okolo 26. apríla 1998 Pokladňa 1. decembra 16. 1998 - 10. januára 1999 Venuša # 2 Prelet okolo 24. 6. 1999 Prelet okolo Zeme 18. 8. 1999 Vstup pásu asteroidov 12. 12. 1999 Výstup pásu asteroidov 10. 4. 2000 Uzemnená anténa s vysokým ziskom 12. 2. 2000 Prelet okolo Jupitera 30. 12. 2000 2000 Prelet okolo Phoebe 11. 11. 2004 Vloženie obežnej dráhy Saturn 11. 7. 2004 Huygens-Probe 6. 11. 2004 2004 Ukončenie misie 1. júla 2008

168 H LIST S ÚDAJMI O VESMÍRNEJ SOBOTE CASSINI-HUYGENS H.3 Cesta Cassini 18-5 Obrázok 74: Prehliadka misie Cassini-Huygens na Saturne. Farebné segmenty sú 1.7.2004-15.2.2005 (biela), 15.2.2005-1.4.2005 (fialová), 1.4.2005-7.9.2005 (oranžová), 7.9.2005-22.7.2006 (zelená), 22.7. 2006-30.6.2007 (modrá), 30.6.2007-31.8.2007 (žltá) a 31.8.2007-1.7.2008 (červená). Vnútorná prerušovaná čiara zodpovedá polohlavnej osi obežnej dráhy Titanu, vonkajšia prerušovaná čiara zodpovedá polohlavnej osi Iapeta. Smer slnka zodpovedá smeru + x, z zodpovedá polárnej osi Saturna. Osovou jednotkou je polomer Saturn. Grafiku vytvoril K. Grazier.