Насколько дороже научные приборы для использования в космосе?

Дискуссия на тему Насколько холодно марсианское небо ночью? Или день в этом отношении? заставил меня задуматься. Насколько дороже научные приборы на космических кораблях или спускаемых аппаратах по сравнению с их наземными частями? Особенно в нижней части диапазона.

Я получил свой карманный ИК-термометр за 5 долларов . Затем Том Спилкер комментирует: «Часто нетрудно достать прибор на миссии, если общая стоимость будет, скажем, 3 мегабакса». Цена постоянно так завышается? Я ожидаю коэффициента между 1000x и 10000x. Но это фактор на миллион. И на типичных посадочных модулях и зондах есть целая куча очень простых датчиков. Датчики температуры (обычные, а не ИК), акселерометры, датчики Холла, микрофоны и т. д. — вещи, которые обычно стоят менее 1 доллара при покупке оптом у оптовика.

Конечно, интеграция стоит дорого. Тестирование дорогое. Доставка до места назначения стоит чертовски дорого. Но с коэффициентом в миллион? На что это похоже?

Скажем, я в команде разработчиков Curiosity, и мне нужен самый простой и дешевый инфракрасный датчик, который будет работать с точностью до 1 Кельвина (в 100 раз лучше, чем наши текущие оценки), прикрепленный к манипулятору. Ему нужны два контакта для питания (для включения/выключения) и два для АЦП, который будет передавать измерение тока в телеметрию. Направьте руку на то, что вы хотите измерить (используя камеру, которую она уже имеет), потратьте пару миллиампер на 3-секундное измерение, передайте два байта данных вверх по течению. Метр или около того проводов будет самой дорогой частью весом, может быть, 3 грамма, доставка которой на Марс стоит больше, чем ее вес в золоте. Тем не менее, я с трудом представляю себе, что на этом будет больше 50 тысяч долларов . Как будет выглядеть разбивка затрат в реальности?

Ваш карманный термометр может быть не таким точным, надежным, не способным выдержать вибрации из-за запуска ракеты, .... как на космическом корабле. Вы также можете сравнить его с профессиональным использованием в химической лаборатории.
@ManuH: Один в 100 раз дороже? Это все еще оставляет 4 порядка величины.
Имейте в виду, что эти инструменты, как правило, являются одноразовыми, а не массовыми, что является самым большим фактором в увеличении затрат, поскольку вы не можете амортизировать (гораздо более высокие) затраты на разработку.
@PlasmaHH Это следует добавить к существующим ответам или опубликовать как отдельный ответ. Тесты, описанные в ответах, могут быть дороже, чем тесты для использования на Земле, но не на много порядков дороже. Что мешает амортизировать эти затраты, так это маленькое производство.
Обратите внимание на принцип уменьшенной отдачи. Легче улучшить инструмент с 50% рабочего времени до 75% времени, чем улучшить инструмент с 75% рабочего времени до почти 100% рабочего времени. Стремление к совершенству невыгодно . Потребительские товары совершенствуются только до тех пор, пока они не станут максимально рентабельными. Поскольку поблизости на Марсе нет магазина, невозможность получить запасную часть резко меняет приоритеты с точки зрения эффективности затрат по сравнению с надежностью деталей.
@Flater: Вот почему мне интересно, почему, особенно в случае очень маленьких и легких инструментов, мы не идем на большую избыточность. Убедитесь, что устройство работает в марсианских условиях 10% времени, а затем отправьте массив из 30 из них.
@SF .: (1) Если объект может сломаться при грубом встряхивании; все эти объекты могут разбиться одновременно при сотрясении. Единственное, что решает избыточность, — это незаметные производственные недостатки . Если бы производственные недостатки были обычным явлением или даже просто ожидаемыми/принятыми, было бы гораздо больше опасений по поводу успешности миссий. (2) Verify that the device works in Martian conditions 10% of the timeЭто испытание очень дорогое, потому что невозможно отправиться на Марс, чтобы проверить его. У вас могут быть только теоретические тестовые сценарии, пока вы не отправитесь на Марс.
@SF.: Для полноты картины избыточность также может решить проблемы, возникающие с отдельным объектом, например, если у вас 30 орудий, они не будут заклинивать все одновременно (это происходит для каждого орудия). - резервирование имеет смысл для обеспечения незаклиненного ружья). Тем не менее, большинство связанных с космосом проблем носят экологический характер и относятся ко всем избыточным объектам одновременно (например, орудия, не работающие под водой).
«вещи, которые обычно стоят намного меньше 1 доллара при покупке оптом у оптовиков». Если у вас есть многомиллионная ракета, способная запускать вещи на орбиту (или за ее пределы), вероятно, не имеет экономического смысла просто вставлять кучу датчики el-cheapo 1 $ на нем и надежда на лучшее. Стоимость неудачной миссии значительно превышает стоимость получения приличных датчиков, которые на самом деле рассчитаны и протестированы в тех условиях, в которых они должны выжить.
астрономически дороже. -римшот-
@aroth: Да, но, на мой взгляд, имеет смысл вместо этого использовать «промышленную / усиленную» версию за 40 долларов и попробовать, сможет ли она выжить в некоторых условиях (они часто создаются с выдающимся запасом; рассчитаны на -40C, по-прежнему работает в -160) затем повторите его втрое. Я полностью согласен с крайней строгостью компонентов, которая означает конец миссии в случае неудачи. Но я считаю, что лучше включить крошечный инструмент, который имеет, скажем, 30%-ную вероятность отказа, потратив 20 тысяч долларов , чем не включать эквивалент с вероятностью отказа менее 1%, потому что у вас нет 5 миллионов долларов , которые он стоит.
Кроме того, я обнаружил, что ряд датчиков рассчитаны на определенный диапазон, потому что они имеют нелинейные характеристики, которые лишь немного отклоняются от линейных в пределах номинального диапазона. Таким образом, вместо использования простой формулы результат = показание * множитель + смещение, вы должны использовать справочную таблицу, подготовленную с помощью ручной калибровки, чтобы получить правильный результат (с точностью намного лучше, чем простая формула!) - микросхема термометра, которая отлично работала при -80°C, но при этих температурах будет отклонено на ~20°C, и все еще будет работать, когда припой расплавится, отклонено еще на (но всегда одинаково) 40°C, поэтому он был рассчитан только на «+4°C~+60°C».
Никто не упомянул, что полупроводниковые технологии должны быть разработаны с учетом или защищены от большого количества ионизирующего излучения в космосе по сравнению с Землей.
@OrangeDog: Это если вы используете цифровые интегральные схемы. Для аналоговых датчиков, как и для большинства датчиков, излучение будет вносить определенное смещение/ошибку, которые необходимо учитывать, но в остальном большинство из них просто будут работать. И защищенная от радиации цифровая схема будет там, в бюджете и в зонде, независимо от того, добавите вы инструмент или нет.
@СФ. все, что вы сделали, это повторили то, что я сказал - это требует учета
@OrangeDog: Вы написали «предназначен для учета». Аналоговые схемы не нужно проектировать/переделывать для учета; он будет нормально работать как есть — весь «учет» будет сделан на Земле во время обработки собранных данных.
@СФ. нет, если он обрабатывается в зонде

Ответы (6)

Предисловие: я далеко, далеко не специалист по космической электронике; Я не думаю, что могу взвесить, сколько на самом деле стоят эти датчики , что является заглавным вопросом; все, что я могу предложить, — это необразованная бессмысленная болтовня о том, куда могут пойти эти деньги.

Давайте возьмем вашу аналогию с термодатчиком по выгодной цене; на самом деле, давайте укажем стандартную готовую часть Melexis .

Во-первых, вы заметите, что в техническом описании указано, что датчик характеризуется диапазоном от -40 до 125°С. Полет на Марс будет сопровождаться массивными тепловыми циклами в течение нескольких месяцев... будет ли датчик работать за пределами этого температурного диапазона? Если да, то как далеко? Какова вероятность того, что линза разобьется при температуре ниже -40°С? Насколько оно будет точным?

Ответы на эти вопросы, вероятно, потребуют нескольких месяцев в камере термоциклирования и инженера или ученого с соответствующей квалификацией, что недешево (особенно для государственного подрядчика). Один только этот тест может стоить 10-50 тысяч долларов. Можно было бы пренебречь этим, но у вас почти наверняка будет неработающий датчик по прибытии на красную планету.

Скажем, вам пришла в голову блестящая идея активного контроля температуры датчика, как это делается в большинстве систем космического корабля.

Теперь у вас есть не просто 4 провода, идущие к вашему датчику; у вас есть термисторы, нагреватели, и вам нужна система контроля температуры, достаточно надежная, чтобы программная блокировка не подняла ваш бедный маленький болометр (и все остальные датчики на этом придатке) до 600К.

Для этого вам потребуются инженеры по встроенному программному обеспечению, специалисты по термическому анализу для проектирования ваших радиаторов, участие промышленности в изготовлении для вас этих причудливых нестандартных обогревателей (которые теперь подвергают вас риску заключения контрактов на накладные расходы) и т. д. Все эти опытные люди легко стоить вам> 300 тысяч каждый; помните, что работник обычно стоит где-то в два раза больше своей зарплаты.

Теперь рассмотрите возможность запуска этих тестов на:

  • Дегазация; те другие ученые с другими датчиками могут немного разозлиться, если обнаружат, что часть вашего ИК-детектора отложена на их спектрометрах, отражателях и так далее.
  • Радиационная устойчивость; как будет деградировать датчик под постоянной бомбардировкой заряженными частицами и космическими лучами в суровой промежуточной пустоте?
  • и десятки и десятки других утомительных и дорогих параметров.

Отсюда и порядки. По сути, стоимость сенсора будет зависеть от людей, которым необходимо какое-то время пристально смотреть на сенсор.

С другой стороны , безусловно, существует растущий рынок более дешевых и простых космических аппаратов с меньшими требованиями ко всему вышеперечисленному. Для дешевых миссий на короткие расстояния, таких как CubeSats, где замена миссии не будет чрезмерно нежелательной, люди действительно используют датчики COTS; в одном проекте даже использовался стандартный смартфон для питания своего спутника.

Однако при поездках на дальние расстояния, когда более простые, менее характерные решения с большой вероятностью потерпят неудачу и, возможно, там, где вес требований финансовой бюрократии к успеху выше, дизайнеры собираются перестраховаться и потратить немного больше денег.

Я присоединюсь к двум другим хорошо сформулированным ответам. В дополнение ко всем испытаниям существует вопрос: «Что вы делаете, когда прибор не проходит тест?»

Большинство приборов COTS (Commercial Off-The-Shelf), которые вы можете приобрести в Home Depot или даже в Omega Engineering, предназначены для работы в земных условиях с некоторым запасом. Но не слишком большая маржа; это делает инструмент более дорогим, чем у конкурентов, и теряет бизнес. Обратите внимание, что упомянутый прибор Melexis @Giskard42 имеет диапазон от -40 до +125 C. Вы можете получить более низкие температуры здесь, на поверхности Земли. Ночью на Марсе становится намного холоднее!

Инженеры Melexis, с которыми обязательно проконсультировались в начале процесса, сразу же сказали бы, что для того, чтобы выдерживать марсианские температуры без добавления нагревателей, некоторые компоненты придется заменить более устойчивыми и более дорогими деталями. Но стоимость этих частей меркнет по сравнению со стоимостью редизайна, необходимого для включения этих частей. Редко более устойчивая часть ведет себя точно так же, как оригинал, или соответствует тому, что было в оригинале, поэтому, даже если модернизация окажется ненужной, рабочие характеристики необходимо будет повторно проанализировать и повторно протестировать. Добавление нагревателей также будет редизайном.

Термическая квалификация — это только одна часть космической квалификации , довольно длительный процесс, которого требует НАСА для оборудования, предназначенного для использования во всех космических полетах НАСА, кроме самых маленьких. Но часто это не самая сложная часть для оборудования COTS.

@ Giskard42 уже упоминал о радиационной устойчивости. Для межпланетных миссий это часто является самой сложной частью для оборудования COTS. Современные микросхемы (такие как АЦП) с чрезвычайно малыми размерами элементов чувствительны к радиационным эффектам от таких источников, как первичные космические лучи и солнечное излучение, особенно солнечные протоны. Одно попадание может вызвать однособытийные сбои, перевороты битов и даже ужасные защелки. Аппаратное обеспечение, пригодное для полетов, должно продемонстрировать (путем испытаний) определенный уровень устойчивости к излучению, иногда требуя избыточных узлов или компонентов, которых вы не найдете в серийном приборе. Немодифицированные детали или компоненты COTS часто не выдерживают испытаний на излучение, что обычно требует перепроектирования, а это дорого.

Все эти процессы могут быстро превратить 5-долларовый инструмент в 50-долларовый инструмент или даже в 500-долларовый инструмент, если никому больше не нужна космическая версия этого виджета.

Но покупка прибора, пригодного для использования в космосе, — это не конец денежной истории. Вы также должны платить инженерам космических кораблей, которые должны размещать приборы.. Только ли ваш прибор требует +9 В постоянного тока вместо стандартного для космического корабля 28 В постоянного тока? Затем вы платите инженеру за проектирование блока питания 9 В в системе питания космического корабля, а также за разработку и запуск этой части кабельного жгута. Вы также будете платить инженеру-теплотехнику, чтобы убедиться, что тепловой расчет адекватен, даже до того, как он попадет на вибростол (как упоминал @PearsonArtPhoto) и в термовакуумную камеру. Будет ли ваш прибор генерировать какие-либо сигналы, мешающие работе других систем космического корабля? Это проверит инженер, обученный работе с электромагнитными помехами. Есть команда по приборам, за которую вы платите, и команда космического корабля, за которую платит проект, которая следит за этим процессом на всем его протяжении. Для недорогих аппаратных средств это самая дорогая часть.

По моему опыту работы с «Вояджером», «Кассини», «Генезисом» и «Розеттой», а также во многих исследованиях и предложениях концепций миссий, я видел несколько инструментов для межпланетных миссий, которые стоили миллионы долларов, но не много. Большинство из них стоят десятки миллионов долларов, а действительно сложные могут добавить к этому еще один ноль. Я хотел бы знать , сколько стоил прибор Kepler, но PI обычно хранит данные о стоимости завершенных миссий очень близко к груди.

Последнее замечание. В 1990-х годах, под руководством Дэна Голдина в качестве администратора НАСА, НАСА попробовало подход к полету по дешевке, чтобы выполнить больше миссий. Но серия последовавших досадных неудач (таких как Mars Polar Lander и управляемые им импакторы DS-2) положили конец этому подходу, и Дэн вскоре после этого ушел в отставку. НАСА довольно нетерпимо к неудачам, особенно в очень заметных (для публики и Конгресса) крупных миссиях, и готово потратить много денег, чтобы предотвратить их.

Что такое ИП? («но PI обычно держит данные о разбивке затрат на завершенные миссии очень близко к сундуку».)
@ANeves Ой, извините, вкрался какой-то жаргон! "PI" является главным исследователем . В одной из программ миссии НАСА, таких как «Дискавери» или «Новые рубежи», они являются учеными, которые несут ответственность за успех возглавляемого ими миссионерского проекта, подчиняясь непосредственно штаб-квартире НАСА. В «управляемой» миссии, когда НАСА берет на себя эту роль напрямую, PI - это ученый, ответственный за один из инструментов, которые НАСА выбирает для полета в рамках миссии. В этом случае PI отчитывается перед научным сотрудником проекта, хотя они все равно часто разговаривают напрямую с людьми из штаб-квартиры НАСА.
Положительным моментом всей этой серьезной инженерии является то, что инструменты и космические корабли, как правило, намного превышают запланированный срок службы. Ожидалось, что марсоход Opportunity прослужит 3 месяца; по состоянию на июнь 2018 года он все еще доставляется спустя 14 лет .
@JoeMcMahon Хорошая мысль! При разработке с вероятностью 95% дожить до запланированного конца миссии срок службы до 50% вероятности выживания намного больше.
@ANeves+ для полноты картины, модель наличия главного исследователя в качестве ведущего технического/научного руководителя и менеджера/бюджетника финансируемого исследовательского проекта теперь используется практически во всей науке (по крайней мере, в США), а не только в космосе.

Просто чтобы дать вам представление, вот как может снизиться стоимость.

Версия COTS должна быть разобрана, чтобы выдержать вибрационные испытания, вместе с дополнительным материалом. Для отправки данных на космический корабль потребуется какое-то программное обеспечение. Необходимо будет провести некоторые испытания, чтобы увидеть, будет ли инструмент работать на Марсе. Тепловая проблема действительно будет иметь определенное значение, ее нужно будет проверить, чтобы убедиться, что она работает на Марсе. Возможно, потребуется применить некоторое тепло, или термоодеяла, или что-то в этом роде. Кроме того, давайте не будем забывать, что пластик нужно будет убрать, так как он является потенциальным источником дегазации.

В итоге такой инструмент мог бы работать довольно хорошо, но это можно было сделать. Но вам, вероятно, потребуется как минимум 1 человеко-год инженерных работ, чтобы установить прибор на космический корабль. При стандартной ставке, возможно, в 300 тысяч долларов, именно здесь будет большая часть ваших денег.

И что бы вы действительно выиграли? На самом деле у нас есть тепловые карты Марса. http://tes.asu.edu/monitoringmars/index.html . Точность с точностью до нескольких градусов. Температура вряд ли сильно изменится от точки к точке. Но в теории это можно было сделать.

Мне нравится, как мы независимо оценили одинаковую ставку для человеко-часов.
Я полагаю, у нас обоих есть опыт? Но я мог бы заработать где угодно от 250 до 400 тысяч долларов, так что...

Фактор цены « один к миллиону » не так уж и велик, если подумать: ваш карманный термометр, вероятно, был выпущен тиражом более миллиона экземпляров. Космический термометр изготавливается только один раз (максимум пять раз). Отсюда и соотношение затрат.

Добавьте к этому сумасшедший контроль качества и экспоненциальную бумажную работу, и вы получите картину.

Еще один фактор, которого пока никто не коснулся. Здесь, на Земле, нас не слишком заботит энергопотребление большинства инструментов. Энергия дешевая, редко когда стоит что-то делать для снижения энергопотребления.

А вот на ракете питание идет либо от солнечных батарей (и за их подъем надо платить, и от батарей, когда они защищены от солнца), либо от ядерных батарей (и Пу-238 для них критически не хватает поставка, не говоря уже о весе подъема.)

Вы также должны быть обеспокоены тем, что станет с этой силой. Здесь он обычно выбрасывается в атмосферу, когда с ним покончено. Большинство космических кораблей не работают в атмосфере, и избавление от отработанного тепла является гораздо более серьезной проблемой.

Очень хороший момент! Один инженер проходит через Аид, чтобы получить энергию, которую люди могут использовать для своих инструментов или подсистем, а затем, когда она используется, другой инженер проходит через Аид, чтобы избавиться от нее!

Я просто хотел отметить, что Mars Pathfinder был оснащен процессором 8085. Который был первоначально выпущен в 1976 году и использовался, потому что это был продукт массового производства.

Есть много преимуществ в использовании технологии массового производства. Вы получаете статистические доказательства надежности от многих клиентов, которые его используют.

Инженеры могут более легко «подтвердить» существующую технологию, добавляя/удаляя/обновляя компоненты, а затем разрабатывая полную альтернативу в единственном экземпляре.

Минимальный размер элемента Intel 8085 составляет 3 микрона [ en.wikipedia.org/wiki/Intel_8085] , что очень много по сравнению с текущими процессами, работающими на субмикронном уровне. Путь субмикронный! В прошлом году Intel объявила о внедрении элементов размером 10 нанометров [ spector.ieee.org/nanoclast/semiconductors/processors/… Меньший размер позволяет Melexis упаковать детектор и процессор сигналов в корпус TO-39. К сожалению, меньшие размеры элементов дают значительно большую чувствительность к излучению.
@TomSpilker правда, но вы можете просто упаковать его в защитную коробку. Не могут?
Ключевым моментом является тестирование в соответствующей среде: тепловой, радиационной и т.д. Если компонент COTS можно заставить работать без огромных инженерных усилий по «защите пространства», то нет причин не делать этого. Но обычно это не так.
@TomSpilker Мне кажется очень маловероятным, что это был продукт COTS, а не один из самых сложных, сделанных Sandia по лицензии.
@TomSpilker прав, но независимо от того, создают ли они собственный компонент или покупают существующий компонент, затраты на тестирование, вероятно, будут такими же. Вы также можете протестировать набор компонентов и посмотреть, какой из них работает лучше всего.
@cgTag Это зависит от экранируемого устройства, радиационной среды и продолжительности воздействия. ИК-датчик не может быть экранирован со всех сторон — он должен видеть снаружи! От солнечных протонов относительно легко защититься, но первичные космические лучи производят тормозное излучение [ en.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung] в экранировании, усугубляя радиационную обстановку. Частицы в радиационных поясах Юпитера также производят большое количество тормозного излучения. Проектирование защиты само по себе может быть сложной инженерной задачей (но, вероятно, не для марсианских миссий). Экранирование также может создавать тепловые проблемы.
@richardb Какое «это» вы имеете в виду?
@TomSpilker Процессор 8085 был переработан Sandia со стороны Intel. ( sandia.gov/media/rhp.htm )
@richardb Ага! Редизайн Sandia, вероятно, означает, что Министерство обороны интересовало его, поэтому оно стало более стойким к радиации. Большое спасибо за этот вклад, это очень полезно.
@cgTag: В дополнение к тому, что сказал TomSpilker, существенным источником ошибок, вызванных радиацией, в некоторых чипах является радиоактивный распад атомов внутри самого чипа , ситуацию, которую нельзя улучшить, поместив радиационный экран вокруг чипа. (на самом деле, экран может усугубить ситуацию в этом отношении, отражая высокоэнергетические частицы, генерируемые внутри чипа, обратно в чип, в то время как в противном случае они ускользнули бы, ничего не повредив).
Я дал поздно отрицательный голос, поэтому я должен объяснить. В посадочном модуле использовался радиационно-стойкий RAD6000, а в марсоходе — радиационно-стойкий 80C85. Как и COTS, в том смысле, что их можно заказать прямо с полки у Dell. Оба были COTS в том смысле, что были сделаны сотни, возможно, даже тысячи. Но даже тысячи не вполне обеспечивают снижение цен на массовое производство, которое делает компьютеры такими дешевыми в наши дни. Для этого цифры должны исчисляться сотнями миллионов.
Насколько дороже научные приборы для использования в космосе?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v