Дизайн гало-орбиты космического телескопа Джеймса Уэбба

Была ли выбрана гало-орбита JWST из «шаблона» стабильного гало, и, говоря «в широком смысле», каковы были компромиссы между требованиями научной миссии JWST, сроком службы на орбите и стоимостью содержания станции?

Говоря «в широком смысле», я имею в виду, что меня удовлетворили бы результаты анализа, сравнивающего Delta-v за год, количество заправленного топлива... с «амплитудой/размером/уклоном» (что бы это ни значило, вам) гало-орбиты и ее периода. Было бы неплохо, если бы вы могли учитывать ограничения сети антенн дальнего космоса (как максимизировать видимость и связать соединения с Землей) и окно запуска.

Это большой, красивый вопрос, и я не уверен, что смогу ответить на все, но добавлю свои пять копеек.

Я не знаю каких-либо серьезных компромиссов, связанных с дельта-v, против научных требований, но может быть некоторое взаимодействие между наблюдателями и смотрителями станций, связанное с вращением телескопа вокруг своей оси (см. ниже). Воспринимаемые ¹ бюджетные ограничения всегда конкурируют лицом к лицу с научными возможностями и предполагаемыми ¹ графиками, но , насколько я понимаю, конструкторы телескопов «автобус» (навигация, управление ориентацией, удержание станции, управление питанием, управление температурой и т. ) просто дали список требований и минимальную продолжительность основной миссии ² из 10 лет , и они предложили действительно прекрасное решение!

Космический корабль SOHO:

(запланировано на 2 года, сейчас ему 26 лет, несмотря на то, что он почти потерян) - отличный первый поучительный пример удержания станции на гало-орбите.

Мы знаем, что гало-орбиты в реальном мире всегда нестабильны и должны регулярно поддерживаться на месте. Они экспоненциально нестабильны, поэтому дрейф космического корабля от его «идеальной» орбиты с ^{тремя гало быстро ускоряется.} Напомню, что для SOHO время его удвоения было всего две недели. Прелесть доплеровских измерений с помощью космического корабля с когерентным транспондером заключается в том, что отклонения положения и скорости могут быть обнаружены в масштабе метров и миллиметров в секунду, так что у вас есть еще несколько месяцев на восстановление, если для этого достаточно топлива . Что должно быть сделано.

По сегодняшним меркам SOHO использовала относительно простую стратегию удержания на месте. Это солнечный телескоп, и для выполнения своей работы он должен наводиться на Солнце. У него есть датчик направления Солнца и оборудование, которое удерживает его ось в этом направлении, и, поскольку он находится на L1 Солнце-Земля, это означает, что задняя часть, где находятся его основная антенна и основные двигатели, будет примерно направлена ​​в общем направлении Земли .

SOHO находится сразу за своей идеальной орбитой, поэтому, если не будет удерживать станцию, он начнет двигаться по спирали к Земле по нестабильному многообразию орбиты. Это означает, что удержание станции просто; Земля измеряет скорость своего дрейфа от своей идеальной орбиты к Земле, а затем рассчитывает, сколько секунд нужно включить двигатели, чтобы подтолкнуть его обратно к Солнцу.

Это простое и потенциально очень эффективное решение для одномерных станций, которое работает уже 26 лет!

Подробнее обо всем этом см. Roberts 2002 и другие источники ^4.

Обсуждается настоящий космический телескоп:

могут извлечь выгоду как из всей удивительной первоначальной работы над гало-орбитальными миссиями, так и из десятилетий размышлений, исследований и совершенствования всех элементов космических технологий, которые входят в современный космический автобус.

И, что интересно, тот факт, что это инфракрасный телескоп, обеспечил дополнительную экономию топлива на орбитальном механическом волшебстве.

Как и SOHO, его орбита рассчитана на то, чтобы всегда находиться чуть ближе к Земле, чем его идеальная гало-орбита. И, как и SOHO, он будет постоянно контролироваться с Земли с помощью доплеровского запаздывания и регулярно получать инструкции с Земли по управлению своей орбитой.

Но поскольку он находится на L2, а не на L1, в отличие от SOHO, он будет находиться немного ближе к Солнцу, чем его идеальная орбита.

Однако тот факт, что это инфракрасный телескоп, требующий холодной оптики и холодных датчиков, достигнутых с помощью гигантского многослойного отражающего солнцезащитного экрана (и пассивного радиационного охлаждения в космосе), обеспечивает источник свободного движения в направлении от Солнца и Земли (на L2 сейчас ) и к своей идеальной гало-орбите. Космический корабль может противопоставить два эффекта друг другу; если он удаляется от идеала и приближается к Земле, он может больше ориентировать свой солнцезащитный экран к Солнцу и увеличивать выброс солнечных фотонов обратно к своей орбите. Если он движется слишком быстро обратно к своей идеальной орбите, он может направить свой солнцезащитный экран несколько наклонно к направлению Солнца, уменьшая тягу и позволяя механике орбитальной нестабильности замедлить скорость его дрейфа.

Но как он может изменить направление солнечного щита, не изменяя направления, на которое указывает телескоп?

Здесь можно найти некоторую степень баланса между наукой и дельта-v, но он мягкий. Во многих случаях телескоп может просто вращаться вокруг своей оптической оси и по-прежнему вести наблюдения. Существует ряд таких поворотов, при которых солнцезащитный козырек может блокировать солнечное тепло, но изменять направление отраженного света и, таким образом, модулировать величину фотонной тяги вдоль оси Солнце-Земля. Для некоторых наблюдений гибкость может быть меньше, чем для других, но эти вещи будут подробно управляться как часть предложений по наблюдению и этапов планирования.

Короче говоря, часть бюджета дельта-v оплачивается без использования топлива, за счет умного маневрирования солнцезащитным козырьком телескопа путем вращения вокруг оптической оси телескопа.

Остальное будет сделано с помощью двигателей космического корабля.

Подробнее обо всем этом см.:

• этот ответ на телескоп Джеймса Уэбба; пределы срока службы топлива? включает много информации о дельта-v бюджете и стабильных/нестабильных коллекторах
• этот ответ на вопрос Может ли JWST остаться на L2 «навсегда»? содержит более подробную информацию о стратегии и бюджете телескопа по поддержанию станции, а также ссылки на моделирование Монте-Карло по обслуживанию станции для космического телескопа Джеймса Уэбба, откуда берется оценка (всего!) от 2 до 4 м / с в год бюджет для его двигательного компонента в дельта -v, в отличие от его отражающего солнцезащитного экрана, сгенерированного delta-v.
• этот ответ на Что происходит с JWST после того, как у него заканчивается топливо? предполагает, что, если все пойдет хорошо, он, вероятно, продлится дольше своей первоначальной 10-летней миссии, и размышляет о долгосрочной возможности либо пополнения запасов топлива, либо дополнительного двигателя, доставленного будущей миссией.
• Все ответы на Как JWST будет управлять эффектами солнечного давления, чтобы поддерживать положение, а станция удерживает свою нестабильную орбиту?
• Все ответы на вопрос Удержание станции delta-v в год для орбиты ванильного гало Земля-Луна?

¹ Конечно, точность восприятия ограничений бюджета и графика на этапе проектирования была неточна в духе Марка Твена (и даже это, кажется, неверная цитата 1 , 2 , 3 ) .

² Если все пойдет хорошо, вполне вероятно, что телескоп будет продолжать заниматься наукой далеко за пределами этого предела. Изучение этого — отличная тема для нового вопроса, если она не охвачена существующими вопросами и ответами.

³ «идеальной» гало-орбитой может быть та, которая имеет минимальное значение дельта-v для удержания станции. Точного определения нет.

⁴ О SOHO есть много материалов, а соответствующие документы здесь

Существует страница документов по восстановлению, или вы можете прочитать об этом в журнале Aerospace America May 1999: Saving SOHO или в статье ESA FC Vandenbussche SOHO's Recovery – Unprecedentable Success Story или для получения дополнительной информации о технических деталях; Робертс 2002 Миссия SOHO Восстановление гало-орбиты L1 после аномалий управления ориентацией 1998 года .

с особым акцентом на Roberts 2002.

Мой вопрос был основан на моем предположении, что разработчики JWST выбрали в качестве цели «идеальную» орбиту. Кроме того, я думал, что их ключевой двигатель будет необходимым топливом для поддержания станции. Из этого можно сделать логический вывод, что эта идеальная цель, если она существует, будет орбитой, которая вообще не требует удержания станции, если на первом этапе пренебречь возмущениями реального мира. Затем будет разработана стратегия удержания станции, чтобы учесть эти возмущения, которые в любом случае предполагаются малыми по сравнению с основными силами, включенными в идеальную модель, используемую для получения орбиты «удержания нулевой станции».

Мой вопрос также предполагал, что JWST будет запущен и будет маневрировать, чтобы следовать по гало-орбите. Это потому, что предыдущее обсуждение, после вопроса @uhoh, действительно ли некоторые орбиты гало стабильны? , подтвердили, что семейство стабильных гало-орбит действительно существует на L2 Земля-Солнце, по крайней мере, теоретически. Я думал, что этот класс орбит, каким бы маленьким он ни был, станет отправной точкой для проектирования орбиты JWST.

Обратите внимание, что в отличие от ISEE-3, который продержался на орбите L1 всего 4 года, цель JWST - до 10 лет работы. Фаркуар сказал нам, что ISEE-3 требует 10 м/с/год Delta-v для удержания станции. Бюджет поддержания станции для JWST не может превышать 83,5 м/с Delta-v (всего 150 м/с минус 66,5 м/с для перехода на орбиту точки либрации). Реактивные колеса, используемые для управления ориентацией, займут часть этого оставшегося «на орбите» бюджета Delta-v.

Последующие исследования, которые я провел, выявили следующее:

• Разработчики орбиты точки либрации JWST не ограничились решением в подклассе гало-орбит.

Эта информация доступна на странице орбиты домашней страницы пользовательской документации JWST . На странице есть предложение, которое гласит:

Форма орбиты L2 не имеет ограничений, поэтому допустимы торические орбиты, гало-орбиты или орбиты Лиссажу, которые определяются главным образом временем запуска и днем ​​​​года.

Отложив пока подробности о том, что именно означают эти 3 класса орбит («тор», «гало» и «Лиссажу»), мы можем уже сделать вывод, что разработчики JWST не ограничивались классом гало-орбиты, ни к какому-либо другому подклассу. Скорее, в любом из упомянутых классов есть член, который удовлетворяет требованиям миссии, включая 10-летнее пребывание на месте. Кроме того, здесь мы узнаем, что какой из трех классов будет фактическим, за которым следует JWST, определяется в первую очередь эпохой запуска.

В статье Дж. Брауна, Дж. Петерсена, Б. Виллака и В. Ю (2015 г.) Сезонные вариации орбитальной динамики JWST содержатся дополнительные сведения об этой зависимости. Здесь мы узнаем, что для каждого дня есть окно запуска, начинающееся в 11:30 UTC и заканчивающееся в 14:00 UTC. В частности, на странице 6 можно прочитать:

Орбиты Лиссажу обычны в начале окна запуска, медленно превращаются в гало-орбиты около 13:00 и, наконец, становятся квази-гало в конце дневного окна.

(как ни странно, на этой странице НАСА говорится: траектория запуска Уэбба устанавливает его на гало-орбиту . Возможно, то, что указано, является просто примером многих возможных траекторий запуска, и утверждение было вырвано из контекста)

Обратите внимание, что во всей статье Брауна мы нигде не можем найти ни упоминания о «стабильных гало-орбитах», ни упоминания о стабильной орбите Лиссажу. Наоборот, всякий раз, когда в статье обсуждалось понятие стабильности, оно использовалось вместе с термином «многообразие» . Например, на странице 13 можно прочитать:

На рис. 13 представлены примерные траектории в устойчивом многообразии гало-орбиты. Другие LPO имеют соответствующие устойчивые многообразия , включая квазипериодические орбиты.

Устойчивое/неустойчивое многообразие для класса орбит с данной геометрией не является синонимом «стабильных/нестабильных орбит» в этой конкретной геометрии. Мой текущий «вывод» заключается в том, что, если мы ищем какую-то форму стабильности, все три класса LPO обладают «стабильными коллекторами», и это «сделает работу», согласно Брауну и др. Выполнение работы означает (благодаря комментарию @uhoh), что если космический корабль находится на стабильном коллекторе, соединяющемся с заданной орбитой, рано или поздно он достигнет этой орбиты с нулевым расходом топлива. С другой стороны, при неустойчивомколлектор, который соединяется с орбитой, космический аппарат на орбите и слегка смещенный малой силой возмущения от орбиты будет покидать орбиту (по экспоненциальному закону времени). Следовательно, задача удержания станции состоит в том, чтобы не дать космическому кораблю непреднамеренно «наступить» на ближайший нестабильный коллектор.

• Итак, как они его проектировали? (и кто они были?)

Статья Дэвида Фолты, Стивена Фоули и Кэтлин Хауэлл (2001) « Стратегии проектирования траектории для миссии NGST L2 в точке либрации» проливает дополнительный свет на использованный подход. NGST (Космический телескоп нового поколения) — это прежнее название JWST.

Во-первых, напомним основные требования миссии NGST (он же JWST) (таблица 1).

Затем нам сообщают, что вместо традиционного «метода стрельбы» был использован усовершенствованный подход, основанный на теории динамических систем (DST). Именно здесь появляется понятие «многообразие», например, цитата (стр. 4):

Инвариантное многообразие определяется как n-мерная поверхность, такая, что орбита, начинающаяся на поверхности, остается на поверхности на протяжении всей своей динамической эволюции. Итак, инвариантное многообразие — это множество орбит, образующих поверхность. Инвариантные многообразия, в частности устойчивые, неустойчивые и центральные многообразия, являются ключевыми компонентами анализа фазового пространства.

То, как эти геометрические понятия (стабильные/нестабильные, центральные многообразия) строго определены и как они на самом деле вычисляются, требуют довольно сложных математических инструментов. На самом деле статья не содержит глубоких объяснений (по крайней мере, ИМО) этих различных типов коллекторов. Тем не менее, документ выявил некоторые уникальные ограничения орбитальной конструкции JWST. В частности:

• Размер Y-амплитуды оказывает большое влияние на Delta-v для орбитального перехода (Таблица 3): хотя существует Y-амплитуда Лиссажу в 400 км, для этого потребуется 123 м/с перехода Delta-v.
• Удерживающие тяги могут только отталкивать JWST от Солнца. Это делается для того, чтобы не загрязнить оптический прибор.
• Стабильность и удержание на месте с использованием только одноосных маневров: ось X (я не понимаю, является ли это требованием, осуществимостью или желательным решением)
• Удержание станции с учетом постоянного радиационного давления Солнца (SRP).
• В бюджете не предусмотрены маневры Eclipse-Avoidation.

Этот частичный ответ, очевидно, содержит дыры. Я надеюсь, что кто-нибудь сможет их заполнить.