A kozmikus porelemzőtől a tudományos űrszondák modellleírásáig - PDF ingyenes letöltés

Űrtechnikai Tanszék, Müncheni Műszaki Egyetem A kozmikus porelemzőtől a tudományos űrszondák modellleírásáig Ralf Srama A müncheni Műszaki Egyetem Gépészmérnöki Tanszéke által doktori mérnöki fokozat megszerzéséhez jóváhagyott dolgozat teljes példánya. Elnök: A dolgozat vizsgáztatója: egyetemi-prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. R. Friedrich 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Eduberg Igenberg 2. apl. Prof. Dr. rer. nat. Eberhard Grün Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg A disszertációt 2000. június 19-én nyújtották be a Müncheni Műszaki Egyetemnek, és a Gépészmérnöki Kar 2000. november 10-én elfogadta.

3.91 Bolygóközi porszemcsék

ii TARTALOMJEGYZÉK Tartalomjegyzék 1 Bevezetés 1 1.1 Tudományos háttér. 1 1.1.1 Bolygóközi por. 1 1.1.2 Csillagközi por. 3 1.1.3 Por a természetes rendszerben. 4 1.1.4 Porszemcsék töltése. 6 1.2 A Cassini-Huygens küldetés. 8 1.2.1 Tudományos kérdések. 8 1.2.2 A Cassini-Huygens űrszonda. 9 1.2.3 A porérzékelővel szemben támasztott követelmények. 9 1.2.4 Külső hatások a helyiségszonda szekrényére. 12 1.3 Probléma. 14 1.4 Eljárás. 14 2 A kozmikus porelemző rendszer 17 2.1 A kozmikus porelemző (CDA) alrendszerei. 17 2.1.1 A beömlő rács (QP). 18 2.1.2 Az ütésérzékelő (IID). 19 2.1.3 A kémiai elemző (CAT). 20 2.1.4 A nagy sebességű detektor (HRD). 21 2.2 A teljes rendszer integrálása és optimalizálása. 23 2.2.1 A konfiguráció. 23 2.2.2 Hibák. 29 2.2.3 A mérőcsatornák előkészítése. 32 2.2.4 Szoftver. 40 2.3 Mérések a porgyorsítón. 42 2.4 A teljes rendszer első eredményei. 43 2.4.1 Általános funkció. 43 2.4.2 Laboratóriumi és repülési mérések összehasonlítása. 43 2.4.3 Nyitott kérdések. 46

TARTALOMJEGYZÉK iii 3 A CDA rendszer értékelése 49 3.1 Rendszerértékelési eljárás. 49 3.1.1 A paraméterek áttekintése. 49 3.1.2 Értékelési funkció. 51 3.2 A laboratóriumi mérések adatértékelő rendszerének kidolgozása 52 3.2.1 A mérések értékelési rendszere. 52 3.3 A paraméterek meghatározása. 59 3.3.1 Tömeg, energiafogyasztás, adatmennyiség és adatsebesség . 59 3.3.2 Költségek. 60 3.3.3 A sebesség meghatározása. 61 3.3.4 A tömeg meghatározása. 71 3.3.5 Az irány meghatározása. 75 3.3.6 A rakomány meghatározása. 77 3.3.7 Dinamikus tartományok és alsó mérési határok. 78 3.3.8 A tömegfelbontás. 78 3.3.9 Fogékonyság a kudarcra. 83 3.3.10 A meghibásodás valószínűsége. 87 3.3.11Események észlelése és az események megbízhatósága. 89 3.4 Egy kísérlet tudományos potenciálja. 96 3.5 Az értékelés eredményei. 100 4 A tudományos űrszondarendszer 103 4.1 Rendszerelemek és paraméterek. 103 4.1.1 Az egykísérletes űrszondától az általános rendszerig 103 4.1.2 Paraméterkapcsolatok. 105 4.2 A rendszer funkciói és a tudományos potenciál. 108 4.3 A Cassini-Huygens űrszonda példaként. 117 4.3.1 A rendszer áttekintése. 117 4.3.2 A rendszer paramétereinek meghatározása. 118 4.3.3 A tudományos potenciál. 120 4.3.4 A Cassini-Huygens rendszer ismertetése. 122 4.3.5 Nézet. 127 4.4 A héj modell. 129 5 Összefoglalás 131

iv TARTALOM A szempontok az űrszondarendszerrel 135 B Az űrmisszió költségei 139 B.1 Előzmények és költségtényezők. 139 B.2 Optimalizálás és trendek. 141 B.2.1 Programozás és irányítás. 141 B.2.2 Műszaki szempontok. 142 B.2.3 DesigntoCost. 143 B.3 Összegzés. 144 C Az űrszonda megfigyelési problémája 147 C.1 Javaslatok. 147 C.1.1. Az 1. javaslat megvitatása. 147 C.1.2. A 2. javaslat megvitatása. 150 DA hivatalos Cassini-Huygens repülési szabályok 153 E Az omega-funkció megbeszélése 155 F Kombinatorika és meghibásodási valószínűségek 157 G A CDA blokkdiagram 165 H A Cassini-Huygens űrszonda adatlapja 167 H.1 Űrszonda tulajdonságai. 167 H.2 Missziós események. 167 H.3 DieCassiniTour18-5. A Kozmikus Porelemző I adatlapja 169

10 1 BEVEZETÉS 2. ábra: A Cassini űrhajó. A porkísérlet bal és jobb oldalán a CDA (Cosmic Dust Analyzer) az ESA Huygens szondája (balra) és a rádió plazma hullámkísérlet antennái. Az antennatányér átmérője 4 m. Bolygóközi tér 1. A porfluxusok és a kompozíciók mérése 1 AU távolságra a Naptól más űrmissziók eredményeivel és földi leletekkel való összehasonlítás céljából; A Jupiteren túli poreloszlás feltárása. 2. Az egyes porállományok folyói sugárirányú profiljának meghatározása a naptól mért távolság függvényében. A különböző porállományok pályáinak és sebességének meghatározása. A por forrásának azonosítása az elemi összetétel meghatározásával (aszteroida, üstökös, Jupiter rendszer, csillagközi.). 3. A részecskék elektromos töltésének és töltési folyamatainak meghatározása. Jupiter 1. Összehasonlítás a Galileo küldetés eredményeivel az időben változó jelenségek meghatározásához. 2. A Jupiterből származó poráramok elemi összetételének meghatározása. Szaturnusz 1. A sűrűségeloszlás és a porszemcsék dinamikájának meghatározása a gyűrűrendszerben és a Szaturnusz holdjai közelében.

20 2 A KOSZMIKUS PORELEMZŐ RENDSZER. A nagy sebességű részecskék egy felületre gyakorolt hatása számos eseményhez vezet: Létrejön egy ütközési kráter, a célrészecske részecskéi és részei, egy ütközési plazma és semleges részecskék keletkeznek. Az ütés sebességétől és a részecske tömegétől függően bizonyos folyamatok dominálnak. Ütések kis sebességnél (0). A nagy szorzójelek méréséhez meg kell mérni az elülső feszültséget-

Sebesség [km/s] R. Srama MPI-K assess.pro Fri Dec 17 09:37:51 1999 QEoQC_Speed_kmos_1072.ps 90 3 A CDA RENDSZER ÉRTÉKELÉSE 100 10 1072 Háromszög = IID kereszt = CAT specifikációval Pont = CAT látvány nélkül. 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QC 43. ábra: Az IID-re gyakorolt hatásokkal a QE és a QC töltési aránya megmutatja, hogy az ütközési sebesség nagyobb-e, mint 15 km/s. A keresztek (balra) a CAT-ra gyakorolt hatások, amelyek hatásspektrumot is mutattak a szorzóra. A háromszögek (jobbra) IID hatások. A QE és QC arány egyértelműen jelzi, hogy a részecske hatása az IID-re vagy a CAT-ra történt-e. a kísérlet mikroprocesszoros rendszeréhez. A = jelet egy irányú következtetésként kell értelmezni (balról jobbra). Mint például a 48-as képletből látható, ha a megadott feltétel teljesül, akkor IID-hatásnak kell lennie. Ezzel szemben nem lehet azt a következtetést levonni, hogy az összes IID-hatás is megfeleljen ennek a feltételnek. Ehhez a szimbólumot használnák, mint a 43-as képletnél.

Sebesség [km/s] R. Srama MPI-K kiértékelés. . 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QC/QI 44. ábra: A QC és QI töltési aránya meghatározhatja az ütközés helyét, ha a sebesség nagyjából ismert. A keresztek a CAT hatásokat egy spektrummal szimbolizálják, a pontok (csak halványan látható) CAT hatások az ütés spektruma nélkül, a háromszögek pedig a IID hatásokat jelentik. Az IID ütközési kritériumok összefoglalása A 0–8) feltételek a 40–48. Egyenletben meghatározzák a nagy célpontra gyakorolt hatásokat: 0µs 20 km/s) (40) ti 90% te 90% 10 v> 10 km/s = IID hatás (42) QE QC> 0,25 IID hatás (43) QE QI> 2,5 = IID hatás (nagyon gyakran) (44) QC QP 0,25 = IID hatás (48) 21 Az egymást követő 0-tól 8-ig történő számozás a jobb összehasonlításhoz szolgál. Kiértékelő szoftver.

Sebesség [km/s] R. Srama MPI-K kiértékelés. 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QI 45. ábra: A QE és QI töltési aránya meghatározhatja az ütközés helyét, ha a sebesség nagyjából ismert. A keresztek a CAT hatásokat szimbolizálják ütésspektrum nélkül, a CAT háromszögek az ütésspektrummal és a négyzetek IID hatásokat jelképezik. A CAT Impact Criteria 16–30) összefoglalása a 49–63. Egyenletben a kis célpontra gyakorolt hatásokat azonosítja

116 4 A TUDOMÁNYOS TÉRBEMUTATÓ RENDSZER Az űrszonda P W tudományos potenciálját most a szondabusz megbízhatósága, az I B szondabusz integráltságának mértéke és az S szinergia, valamint a P WIj tudományos kísérletek tudományos potenciálja fejezte ki. A P W értéke annak mérésére szolgál, hogy az egész szondarendszer mennyire képes hatékonyan végrehajtani a tudományos megfigyeléseket. Ez az érték ezért kiegészíti a korábban elterjedt definíciókat, mint pl Megabit/költségek, amelyek eddig jellemzik az ilyen rendszereket. Az 57. és 58. ábra a PW érték függőségeit mutatja be. 57. ábra: A PW űrmisszió tudományos potenciáljának függése az IB buszintegráció mértékétől, különböző buszmegbízhatósággal, pl. 1000 Az űrszonda tudományos potenciálja 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 A P WI összege 58. ábra: A diagram a PW űrmisszió tudományos potenciáljának függését műszereinek tudományos potenciáljától P WI = PP WIj, az IB űrszonda busz különböző mértékű integrációjával.

130 4 A TUDOMÁNYOS SZOBAVÉDELMI RENDSZER

133 tudományos felfedezések valószínűsége. Az űrszonda tervezésénél törekedni kell az alrendszerek integrálására, és nem azok hozzáadására a kölcsönös interakciók minimalizálása és az általános korlátozások (űrszonda orientáció) számának alacsony szinten tartása érdekében. Nagy rendszerek esetén az összetettségnek növelnie kell a képességeket és a megbízhatóságot, és le kell egyszerűsítenie a küldetés műveleteit. A cél a teljes rendszer optimalizálása és nem az egyes alrendszerek optimalizálása. Az integráció mértékének optimalizálása természetesen könnyebb kis, kevésbé összetett szondákkal. Az ebben a munkában a tudományos potenciál kiszámításához létrehozott funkcionális kapcsolatok a Cassini-Huygens projektben szerzett saját tapasztalatainkon alapulnak, és szükség lehet a vizsgált küldetéshez való igazításra. Az itt bemutatott eljárás azonban elfogadható.

138 A SZOBA PROBE RENDSZER SZEMPONTJAI és a projekt szakpolitikai célkitűzései. Ezután ebből választják ki a megfelelő irányadó kritériumot. Szükség esetén a célokat az irányadó kritériumhoz kell igazítani, ha pl. a nem túlléphető pénzügyi ráfordítás modelljét (1. kritérium) választják. A következő szakasz magában foglalja az űrhajó pontos tervezését, amely képes elérni a szükséges célokat. Meg kell becsülni a szükséges kísérletek szükséges elektromos teljesítményét és súlyát. Ha a kísérletek követelményei túl magasak, az irányadó kritérium megválasztásától és az alszempontok rangsorolásától függően vagy a célokat újra kell definiálni annak érdekében, hogy a kísérleteket könnyebben vagy olcsóbban meg lehessen tervezni (leszállni), vagy az űrszondának meg kell felelnie a A kísérletek adaptálva vannak (nagyobb térmérő, a projekt erőfeszítése növekszik).

B.3 Összefoglalás 145 sikeresnek bizonyult. Ezeket a küldetéseket azonban nem lehet szigorú költségkövetelmények mellett, nagy sikeraránnyal és alacsony hiba valószínűséggel megvalósítani. Más sikeres ESA Cornerstone küldetések, például a Rosetta azonban megkérdőjelezhetik a NASA Gyorsabb és olcsóbb filozófiáját számos kudarcával.

146 B TERÜLETI KÜLDETÉS B KÖLTSÉGEI

154 D A CASSINI-HUYGENS HIVATALOS REPÜLÉSI SZABÁLYAI

166 G A CDA-BLOKKDIAGRAM

A Cassini-Huygens űrszonda 167 H adatlapja H.1 űrszonda tulajdonságai az elektromos teljesítmény a Szaturnusznál 660 W kiindulási tömeg 5600 kg tudományos tömeg. Orbiter műszerek 360 kg Huygens minta tömege Műszerek 43,8 kg a tudományos érzékelők száma 66 üzemanyag 2500 kg Adattárolási térfogat 4 Gbits Igazítási pontosság 2,0 mrad Igazítási stabilitás 0,036 mrad 5 másodperc alatt Csillagkatalógus 3700 csillag # Busz mikroprocesszoros rendszerek 26 Magasság 6,8 m Főantenna átmérője 4 m A magnetométerfa hossza 11 m Programozási nyelv Ada adóteljesítmény 19 W Adatsebesség a Saturnnál 140 kbit/s Fő motor tolóereje 445 N Adó frekvenciája X-sávos Telemetriai mérési csatornák 11000 H.2 Missziós események Titan IVB-vel kezdődnek 1997. október 15. Venus # 1 Flyby 1998. április 26. Pénztár # 1. 1998. december 16. - 10. január Vénusz # 2 Flyby 6/24/1999 Earth flyby 1999/8/18/1998 aszteroidaöv belépése 1999/12/12 Asteroid öv kijárata 2000/10/04 Nagy nyereségű antenna földelt 2000/02/12 Jupiter flyby 2000/12/30 Phoebe flyby 2004/11/11 Szaturnusz pálya behelyezése 2004/7/7 Huygens-Probe 2004/11/7 Huygens-Probe 2004/11/11 .2004 A misszió vége, 2008. július 1

168 H A CASSINI-HUYGENS ŰRPROBLE ADATLAPJA H.3 A Cassini Tour 18-5 74. ábra: A Cassini-Huygens misszió túrája a Szaturnuszon. A színes szegmensek 2004. 1.7.15–15.2. (Fehér), 2005.2.15–1.4.2004 (ibolya), 2005.4.1–7.09. (Narancssárga), 2005.9.7–2.2.7. (Zöld), 22.7. 2006–30.6.30 (kék), 2007.6.30–31.8 (sárga) és 2007.8.3–1.7.7. (Piros). A belső szaggatott vonal megfelel a Titan pályájának fél-fő tengelyének, a külső szaggatott vonal az Iapetus fél-fő tengelyének felel meg. A nap iránya a + x iránynak felel meg, z a Szaturnusz sarki tengelyének felel meg. A tengely mértékegysége a Szaturnusz sugara. A grafikát K. Grazier készítette.