Как JWST будет управлять эффектами солнечного давления, чтобы поддерживать ориентацию, а станция будет сохранять свою нестабильную орбиту?

Блестящий вопрос. Я удивлен, что никто не упомянул потрясающую пользовательскую документацию JSWT, доступную на STScl-JWST . (Этот вопрос каким-то образом снова был активен, поэтому добавлен ответ.)

Ответ Анци касался только управления импульсом, а поддержание орбиты связано с поддержанием орбиты. Но давайте рассмотрим оба здесь.

Из пользовательской документации JWST ясно, что солнечного крутящего момента, хотя и уравновешенного реактивными колесами, достаточно для управления импульсом, но для поддержания орбиты вокруг L2 необходимы частые маневры удержания станции.

Хотя орбиты вокруг точки L2 по своей природе нестабильны, размер орбиты велик, а орбитальная скорость мала (~ 1 км / с), поэтому орбита медленно «затухает». Однако большой солнцезащитный козырек JWST, размером примерно с теннисный корт, подвергается значительному давлению солнечного излучения, что приводит как к силе, так и к крутящему моменту. Направление солнечной силы меняется по мере того, как отношение обсерватории меняется от наблюдения к наблюдению. Солнечный крутящий момент уравновешивается реактивными колесами, но периодически накопленный импульс сбрасывается запускающими двигателями. Поскольку операции JWST управляются событиями, профиль положения обсерватории и сброс импульса нельзя точно предсказать за несколько месяцев вперед. Эти два возмущения увеличивают ускорение JWST с орбиты около L2,

Таким образом, для удержания станции JWST использует подруливающие устройства, сохраняя при этом относительные требования к наведению на солнце, а именно:

Возмущения орбиты вдоль оси Солнце-L2 оказывают наибольшее влияние на стабильность орбиты. Двигатели установлены на автобусе космического корабля со стороны солнцезащитного экрана, обращенной к Солнцу; те, которые используются для коррекции орбиты, ориентированы как можно дальше от солнцезащитного козырька, и солнцезащитный козырек может выдерживать больший угол наклона солнца1 для коррекции орбиты, чем разрешено для научных операций. Эта архитектура позволяет запускать двигатель под углом до 90° от Солнца в соответствии с ограничениями уклонения от Солнца, чего достаточно для обеспечения коррекции орбиты во всех случаях.

Что касается управления импульсом, JWST страдает от массивного наращивания импульса, как это предлагается в вопросе, описанном здесь.

Во время научных наблюдений обсерватория будет направлена ​​на цель с ориентацией, при которой центр давления солнцезащитного козырька не совпадает с центром масс обсерватории. Когда солнечные фотоны попадают на большой солнечный экран, они создают крутящий момент для всей обсерватории. Подсистема управления ориентацией (ACS) противодействует этому крутящему моменту, соответствующим образом изменяя скорость вращения реактивных колес, в результате чего угловой момент накапливается в реактивных колесах. Накопление импульса зависит от угла наклона Солнца, ориентации телескопа по крену и продолжительности пребывания в конкретном положении наведения. Угловой момент (скорость вращения) реактивных колес должен поддерживаться в рабочих пределах.

Планировщики миссий творчески подходят к пассивному методу управления импульсом:

Изменениями импульса можно управлять на некотором уровне путем планирования последовательности наблюдений; это делается путем наблюдения за ориентацией, которая создает импульс в конкретном реактивном колесе, с последующим наблюдением за ориентацией, которая удаляет импульс от этого колеса.

Но не всегда, поскольку некоторые науки, основанные на потребностях, требуют более быстрого поворота и ориентации, которые отменяют вышеуказанную программу управления импульсом, и, следовательно, «сброс импульса» выполняется путем разгрузки колес по мере необходимости.

Однако управление импульсом — это лишь одно из многих ограничений планирования. В какой-то момент потребуется отрегулировать одно или несколько колес, чтобы они оставались в рабочих пределах. Система планирования и составления графиков вносит запланированные разгрузки импульса в график по мере необходимости, основываясь на моделировании ожидаемого наращивания импульса, которое в настоящее время ожидается 1–2 раза в неделю. Каждое действие по разгрузке занимает несколько часов, в течение которых обсерватория поворачивается в определенную ориентацию, чтобы свести к минимуму воздействие на орбиту, а затем запускает двигатели по мере необходимости, чтобы можно было отрегулировать скорость вращения реактивных колес.

PS: То, что Стив Линтон упомянул в комментариях к вопросу, также верно.

Орбита будет смещена, чтобы компенсировать средние внешние силы, связанные с гравитацией планет и радиационным давлением на солнцезащитный экран.

Все приведенные выше отрывки взяты из документации JWST Cycle 1 в формате PDF для телескопа и космического корабля, найденной на этой странице.

К сожалению, у меня мало информации, я надеюсь, что мы получим лучший ответ, но пока:

Согласно Википедии

Сегмент солнцезащитного козырька также включает декоративную откидную створку на конце штанги развертывания солнцезащитного козырька. Это также называется вкладкой подстройки импульса. Триммер помогает сбалансировать солнечное давление. Триммер также управляет эффектами реактивных колес. Реактивные колеса расположены в автобусе космического корабля (JWST).

Триммерная заслонка уменьшает количество необходимого топлива, потому что космическому кораблю не нужно уравновешивать силу солнечного давления.

На изображении показана лопасть солнечной батареи/триммер. Взято из этого pdf добавлена ​​красная стрелка

Который также содержит интересный абзац:

Размер и форма солнцезащитного козырька, а также задняя заслонка инерционной заслонки сводят к минимуму накопление крутящего момента из-за солнечного давления, тем самым снижая расход топлива.

Триммерный щиток не шарнирный и не регулируется в полете. Согласно этой странице JWST :

Заслонка импульса уравновешивает солнечное давление на солнцезащитный козырек, как триммер в парусном спорте. На орбите он не регулируется, но на земле можно.

Чтобы добавить: я узнал здесь где-то на Space.SE: когда спутник Mariner сходит с оси из-за возмущения, одна сторона паруса подвергается воздействию солнечного света (или, в случае JWST, может быть увеличена), и радиационное давление толкает спутник обратно. его ось. Это побочный продукт Mariner 4, у которого есть солнечные лопасти, которые работают таким образом (но недостаточно хорошо, чтобы их можно было использовать), а также является солнечным щитом.

Я вижу, что JWST был сделан со слоями для распределения света через полупрозрачный / отражающий материал, при этом функционируя так, как предполагалось пассивной стабилизацией Mariner 4. Идеальное разделение позволяет работать при идеальной температуре и не перегревать материал. https://en.wikipedia.org/wiki/Маринер_4

Связанный: Металлический самостабилизирующийся солнечный парус с памятью формы

Как температура влияет на солнечный парус?