Почему JWST не использует ионные двигатели?

Поскольку точка L2 нестабильна, JWST нужны двигатели для поддержания своей орбиты. Он использует монотопливные двигатели, срок службы которых составляет не менее 5 лет.

Почему вместо них не использовались ионные двигатели? Разве они не дадут гораздо больше Delta-v для той же массы топлива?

Они недостаточно надежны? Или это слишком много дополнительной сложности?

Я думаю, что это отличный вопрос! В качестве продолжения, я думаю, вы могли бы задать следующий вопрос: «Как обычные двигатели и электрические двигатели будут сравниваться для удержания станции космического телескопа на гало-орбите Солнце-Земля? Каковы будут компромиссы для системы, разрабатываемой сегодня?»

Ответы (2)

Поскольку точка L2 нестабильна, JWST нужны двигатели для поддержания орбиты. Он использует монотопливные двигатели, срок службы которых составляет 10 лет (максимум).

JWST использует двухтопливные двигатели (гидразин и четырехокись диазота) для выполнения корректировок на полпути на пути к псевдоорбите Солнце-Земля L2, для выполнения выхода на эту псевдоорбиту и для выполнения маневров поддержания орбиты. Он использует только монотопливные двигатели для грубых маневров ориентации и снижения насыщенности реактивного колеса.

Коррекция на полпути, выход на орбиту и маневры поддержания орбиты требуют большого количества дельты V, которое может быть достигнуто быстро. Даже однотопливного гидразинового двигателя было бы недостаточно. Добавление монотопливных двигателей и немного большего количества гидразина для использования этими монотопливными двигателями, по-видимому, имело больше смысла в первоначальном проекте, чем добавление совершенно нового набора баков и двигателей для ионных двигателей.

Хотя некоторые первоначальные проектные решения могут быть изменены, двигатели являются одними из многих элементов космического корабля, которые в значительной степени заморожены с первого дня. Более того, эта первоначальная конструкция возникла около 20 лет назад, когда ионные двигатели только что прошли экспериментальную стадию. И уж точно не собирались переходить на ионные двигатели. Deep Space 1 был запущен в декабре 1998 года и вроде как сработал. У DS1 были серьезные проблемы, и он не имел полного успеха. Его ионные двигатели сначала не работали, и аппарат плохо работал на некоторых запланированных пролетах.

Возможно, в другом мире конструкторы JWST модифицировали свой космический корабль через 20 лет после первоначальной конструкции, чтобы использовать ионные двигатели для некоторых аспектов управления транспортным средством. С другой стороны, они могли бы также перепроектировать корабль, чтобы использовать более современные компьютеры, более современные солнечные батареи и т. д. Они не сделали этого отчасти из-за огромного консерватизма, заложенного в конструкцию космического корабля.

Хотя SpaceX показала НАСА, что имеет смысл быть немного более гибким (может быть, намного более гибким), это произошло уже на этапе строительства JWST. JWST является ярким примером исследования космоса, выполненного в стиле старой школы, с соответствующей ценой исследования космоса в стиле старой школы.
Я хотел бы понять «огромный консерватизм, заложенный в конструкцию космического корабля». Всего один типичный пример?
@NgPh JWST, например. Марсоходы, например. Марсоходы, недавно отправленные на Марс, используют компьютеры прошлого тысячелетия, и эти компьютеры предыдущего тысячелетия работают в уменьшенном масштабе, чтобы работать примерно вдвое медленнее, чем их земные эквиваленты. С другой стороны, марсианский вертолет, который скорее экспериментальный, чем рабочий, использует (почти) совершенно новые материалы.
Извините, но я искал пример, "запеченный" в JWST.
@NgPh JWST следовал традиционной парадигме обзора требований / обзора предварительного проекта / критического обзора проекта / ... / обзора готовности к полету. Это водопад в энной степени. В этой парадигме очень мало отступлений от очень ранних концепций.
Этот процесс обеспечения качества не говорит мне, какая часть JWST является «чрезвычайно консервативной». Именно столько (время, точность, ...) могло бы получить научное сообщество, которое собирается использовать телескоп, если бы НАСА приняло смелое решение сменить технологию на некоторых контрольных этапах (чтобы быть более «гибким» по-твоему)?
@NgPh Я написал «гибкий», а не «гибкий». Первоначально Agile был задуман около 20 лет назад как способ избежать водопада при разработке программного обеспечения. За последние семь лет или около того эта концепция распространилась далеко за пределы разработки программного обеспечения. Водопад (например, процесс, который следует парадигме обзора требований / обзора предварительного проекта / ... / обзора готовности к полету) по своей сути и чрезвычайно консервативен. SpaceX очень гибкая (и очень гибкая). Некоторые старые космические компании переняли некоторые аспекты Agile, но остаются немного негибкими. Не гарантируется, сделает ли Agile организацию гибкой.
@NgPh Ответ TL; DR на этот процесс обеспечения качества не говорит мне, какая часть JWST является «чрезвычайно консервативной». это каждый бит. Консерватизм встроен. Вполне возможно построить что-то, что будет «лучше» почти во всех отношениях, просто отказавшись от фантазии о возможности предвидеть все подводные камни с первого дня, что является сутью модели водопада.
Это получается долго, но я замечаю, что вы, по общим соображениям, противопоставляете жесткий и гибкий процесс разработки, последний взят из мира SW. Я не в состоянии защищать кого-то конкретного. Мне любопытно узнать, можете ли вы указать типичную, четко определенную выгоду для «конечных пользователей» (астрофизиков для JWST), если бы НАСА выбрало гибкость. Обратите внимание, что Э. Маск успешно использовал гибкость в дизайне продукта, когда он был в основном своим собственным клиентом, и, кроме того, он получал финансовую помощь от государственных учреждений, оставаясь при этом единоличным лицом, принимающим решения.
@NgPh JWST сам по себе является ярким примером проблем с жестким процессом разработки (также известным как водопад). Его стоимость увеличилась в восемь или десять раз, и он будет запущен более чем на десять лет позже, чем планировалось изначально.
@NgPh Идея Agile заключается в том, что лучше иметь 50% отказов при 1/10 стоимости, чем надежность 99,999%. С первым вы можете позволить себе сделать 10 запусков и в целом получить более высокую надежность.
Ожоги обслуживания орбиты - это наименее мгновенные ожоги, какие только можно себе представить. ИМХО, коэффициент дополнительной массы для ионных двигателей для поддержания орбиты не окупается для JWST, а в целом теория вопроса верна и было бы выгодно использовать ионные двигатели.
@OscarSmith, философия Agile относительно нова и применима к космическим полетам ОЧЕНЬ недавно. Стоимость доставки чего-либо в космос по-прежнему высока (за килограмм), но сейчас она намного ниже, чем в прошлом. Для 6-тонного телескопа, если запуск стоит 10 000 долларов /кг, то вы потратите не менее 60 000 000 долларов только на топливо и ракету-носитель. В этот момент тратить дополнительное время и деньги, чтобы повысить свои шансы на успешную миссию, имеет больше смысла и требует, чтобы каждая часть была надежна на 99,9999% +, что дорого. По мере снижения затрат на запуск этот порог смещается в пользу Agile.

Ответ @DavidHammen имеет большое значение для ответа, особенно с учетом того, что шина космического телескопа была завершена довольно давно, когда ионный двигатель был гораздо менее проверенной и надежной технологией в долгосрочной перспективе.

В нем говорится:

...и маневры поддержания орбиты требуют большого количества дельта-V , которое может быть доставлено быстро .

Они могут быть недостаточно сильны, чтобы восстановиться после кратковременного перерыва в удержании станции.

Спутники связи на ГСО теперь становятся «полностью электрическими» для обслуживания станций, и многие из них также используют ГТО на ГЕО с электрическим двигателем.

Таким образом, мы могли бы спросить, должен ли космический телескоп быть спроектирован сегодня, будет ли он использовать электрическую тягу для поддержания станции или нет.

Что гало-орбита космического телескопа экспоненциально нестабильна , и если по какой-то причине будут пропущены несколько раз в два месяца маневров по удержанию станции, для малой тяги может стать все труднее и труднее вернуть его на станцию.

Как только ускорение от гало-орбиты вдоль нестабильного коллектора превысит ускорение, обеспечиваемое электрическими двигателями (которое всегда чертовски мало), все будет потеряно, и он будет двигаться по спирали к гелиоцентрической орбите.

Аналогии этой экспоненциальной нестабильности в стационарном хранении спутников связи на ГСО нет. Они очень хорошо гравитационно связаны с Землей и не уйдут на гелиоцентрическую орбиту, если их оставить без присмотра.

Но подождите, есть еще (вес)! (потенциально)

Вопрос учитывает, что вес топлива для ионных двигателей ниже, чем у обычных двигателей, но у ионных двигателей есть тяжелые магниты и источники питания для производства плазмы.

Вполне возможно, что после того, как будет спроектирована и взвешена полная электрическая силовая установка, достаточно мощная, чтобы вернуть JWST на гало-орбиту, если несколько двухмесячных итераций поддержания станции будут пропущены, она не станет легче.

@OrganicMarble, но я забыл упомянуть о потребности в электроэнергии , которая на самом деле может оказаться последним гвоздем в гроб электрического двигателя. Надеюсь, ОП (или кто-то другой) спросит об упомянутом здесь продолжении , а затем кто-то сможет достать свои сферические спины конвертов для коров и полуколичественно решить проблему. Бьюсь об заклад, что солнечные панели должны быть намного больше и, возможно, также создавать большее давление солнечных фотонов, что может быть как плохо, так и хорошо, учитывая то, как он использует эту тягу как часть поддержания станции.
«Вполне возможно, что после того, как будет спроектирована и взвешена полная электрическая двигательная установка, достаточно мощная, чтобы вернуть JWST на гало-орбиту, если несколько двухмесячных итераций поддержания станции будут пропущены, она не станет легче». - Может быть, не легче , но все же намного дольше .
@Викки хорошая мысль! Я выстрелил себе в ногу там; Я пытался быть осторожным и не говорить "гораздо тяжелее" прямо.
Традиционный процесс проектирования, разработки и внедрения космических аппаратов следует довольно устаревшей водопадной модели, которая и близко не соответствует Agile. Разработка космических аппаратов может быть гораздо более гибкой, но для этого потребуются серьезные изменения в том, как НАСА и ЕКА ведут бизнес.
Я не понимаю уместности этих дискуссий: почему бы не сделать это дольше, почему бы не сделать его легче, ...? В научных инструментах и ​​элементах платформы JWST (например, в солнцезащитном щите) уже есть так много «первых» (и, соответственно, точек отказа). Срок службы миссии ограничен этими рисками. Технология и размеры топлива и двигателя не имеют решающего значения во всех аспектах. Это совсем не похоже на традиционный спутник GEO, где масса топлива составляет почти половину сырой массы спутника при запуске, и, следовательно, EP меняет правила игры.
@NgPh вот мое предположение; для людей, которые твердо уверены в том, «Почему бы не сделать это дольше?» Я думаю, что они обращаются к 30-летнему невероятному вкладу Хаббла, и то, что было изучено за эти десятилетия, сделало его еще более незаменимым для последующих наблюдений; его значение со временем увеличивается . Поскольку новый космический телескоп охватывает совершенно другой диапазон длин волн, они ожидают того же. Людям просто трудно представить, что телескоп стоимостью 10 000 000 000 долларов умрет и будет выброшен всего за 1/3 времени, в течение которого Хаббл прожил до сих пор из-за нехватки около 200 кг топлива по замыслу !
@NgPh многим может показаться, что вы покупаете дорогой ноутбук с мощной, но не перезаряжаемой, несменной батареей и без шнура питания; когда батарея разряжается, у вас нет другого выбора, кроме как выбросить все это в мусор.
@uhoh, а не тогда, когда батарея ноутбука рассчитана на то, чтобы работать в два раза дольше, и это с запасом ожидаемого срока службы дисплея и / или клавиатуры. Хорошие инженеры оптимизируют там, где это критично, а не там, где, по их мнению, у них есть, по-видимому, лучшее решение. Кстати, сколько раз за 30 лет Хаббл ремонтировали? С риском для жизни человека?
Я просто пытаюсь объяснить, почему некоторые люди считают это актуальным, а не спорить по существу. Но если бы я хотел, я бы сказал, что если все пойдет хорошо, как и большинство миссий НАСА, в конечном итоге это продлится намного дольше, чем его минимальный ожидаемый срок службы. Но не цитируйте меня по этому поводу.
Почему JWST не использует ионные двигатели?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v