Может ли JWST остаться на L2 «навсегда»?

Согласно Википедии , требования delta-v для пребывания на уровне L1 или L2 составляют около 30-100 м/с в год. Это кажется довольно высоким, однако, скорее всего, это около 5-16 м/с. Солнцезащитный экран имеет площадь около 300 м^2. Возможная тяга составляет около 0,00279664 Н, если считать чисто отражательной. Масса JWST около 6200 кг. Собрав все это вместе, возможное ускорение составляет около 14 м/с в год, чего недостаточно для удержания станции. Кроме того, это предполагает наличие полностью отражающих солнцезащитных экранов, направленных прямо на солнце. Я не уверен, какое фактическое направление тяги потребуется, чтобы удерживать его на L2, но, вероятно, оно не будет прямым, что еще больше уменьшит это.

Суть в том, что это может сработать, но потребует очень осторожного размещения щита, чтобы сохранить правильную ориентацию.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Согласно некоторой новой информации, оказалось, что мой источник ОЧЕНЬ вводил в заблуждение относительно размера, эти размеры были больше похожи на размеры ромба, а не на прямоугольник, что очень странно. Эта бумагаимеет некоторую интересную информацию, показывающую, что площадь на самом деле ближе к 160 м ^ 2, а бюджет станции составляет не более 2,25 м / с в год, принимая все во внимание. Это означает, что это было бы вполне возможно достичь. Одним из самых больших источников неопределенности является движение самого солнечного щита, вполне вероятно, что если бы его можно было контролировать, его можно было бы значительно уменьшить. Фактическая способность удерживать станцию ​​ближе к 6,7 м/с. Учитывая источники, которые говорят, что 5-16 м/с являются типичными значениями стационарного состояния, кажется вероятным, что, по крайней мере, в какой-то степени JWST будет контролироваться солнечным светом, хотя это ОЧЕНЬ трудно сказать без комплексного анализа.

В этой статье Heiligers et al. исследует орбиты точки либрации Земля-Луна с добавлением тяги солнечного паруса. Хотя это, конечно, нельзя напрямую перевести на Солнце-Земля L2 (JWST), динамика орбит точек либрации в обеих системах, по крайней мере, сопоставима. Исследование показывает, что повышение стабильности может быть достигнуто для некоторых орбит (лунное гало L2 является одной из них).

Однако JWST не является типичным космическим кораблем с солнечным парусом. Они имеют гораздо более высокое отношение площади к массе и будут производить большее ускорение вместе с меньшей массой (я предполагаю также более низкую инерцию), что означает, что они могут управлять своими парусами гораздо эффективнее.

Я бы предположил, что выводы из статьи можно применить и к JWST, но влияние на стабильность, вероятно, будет намного меньше, чем в случае обычного космического корабля с солнечным парусом.

tl;dr: Я думаю, что для этого есть место . Тем не менее, я не думаю, что окончательный ответ можно получить с помощью анализа величин на оборотных сторонах конвертов. Реальный ответ можно было бы получить только из еще более подробных расчетов методом Монте-Карло, чем те, которые уже были изложены в модели Монте-Карло для космического телескопа Джеймса Уэбба . Звучит как интересный проект!

Давайте посмотрим на это систематически, используя достоверные факты.

Тяга от фотонного давления на солнцезащитный козырек

Импульс фотона$p$это просто его энергия деленная на скорость света$E/c=h\nu/c$, поэтому сила, приводящая к идеальному поглощению фотонов, будет

где$P$- полная мощность света, попадающего на поглотитель, например, в единицах Ватт, и$A$- площадь падающего светового поля , пересекающего поглотитель.

Поскольку парус отражает, а не поглощает, есть второй луч отраженного света и вторая сила, и у этого есть направление, основанное на ориентации зеркала. Давайте пока просто посмотрим на величины.

Википедия дает форму ромбовидного солнцезащитного козырька примерно 21 на 14 метров (диагонали). Это будет иметь площадь, равную половине произведения диагоналей, или 147 м ^ 2, что хорошо согласуется с моделированием Монте-Карло для космического телескопа Джеймса Уэбба .

Как показано на рисунке 6, эффективная площадь солнцезащитного козырька в направлении к Солнцу может варьироваться от 105 до 163 м², что соответствует диапазону разрешенных положений космического корабля, при котором телескоп не подвергается воздействию рассеянного света.

Солнечная постоянная составляет около 1360 Вт/м^2 на расстоянии 1 а.е., но площадь L2 на 1% дальше, поэтому давайте воспользуемся

получить

Ускорение есть сила/масса. Используя 6500 кг из Википедии :

В году около 31,6 миллиона секунд, так что 6,3 м/с дельта-v в год доступно в направлении +z, если тень направлена ​​в основном назад к Солнцу, и несколько меньше, если используется небольшой наклон, если используется перпендикулярное ускорение. нужный.

Известный бюджет JWST на содержание станций

Стационарное моделирование Монте-Карло для космического телескопа Джеймса Уэбба говорит нам:

Результаты анализа показывают, что бюджет SK delta-V для 10,5-летней миссии составляет 25,5 м/с, или 2,43 м/с в год. Этот бюджет SK выше, чем типичный бюджет SK LPO, составляющий около 1 м/с в год, но JWST создает проблемы, с которыми не сталкиваются другие миссии LPO. Анализ Endof-Box имел решающее значение для миссии JWST, поскольку он давал реалистичное значение бюджета SK delta-V, когда это было необходимо для установления полного бюджета массы космического корабля.

Таким образом, парус обеспечивает более чем удвоенную величину дельта-v, удерживающую стоянку.

SOHO является примером космического корабля на гало-орбите (около L1) и согласно Робертсу 2002 (из «Так выглядят маневры удержания станции или просто сбои в данных?» (SOHO via Horizons) ) он использует стратегию удержания станции толкает только в направлении z (к Солнцу или от него). Тем не менее, моделирование Монте-Карло для космического телескопа Джеймса Уэбба говорит нам:

В динамике ЛПО известно, что плоскость xy содержит устойчивое и неустойчивое направления, а направление z нейтрально устойчиво. Поскольку JWST не нужно оставаться вблизи опорной орбиты, во время маневров SK нет необходимости в тяге в направлении z, а вектор тяги выбирается так, чтобы он лежал в плоскости xy.

Это не означает, что в нашем не-телескопическом режиме, режиме удержания в режиме ожидания, нам также потребуется вектор тяги удержания станции (SK) в перпендикулярной плоскости xy, и я предлагаю, чтобы в режиме выживания можно было использовать некоторую комбинацию модуляция z-компоненты и добавление xy-компоненты путем наклона и наклона солнцезащитного козырька в его безопасных пределах обеспечит достаточную дельта-v и гибкость в ее направлении для выполнения удержания станции.

Выводы

• JWST будет испытывать устойчивую дельта-v около 6 м/с в год из-за постоянного давления фотонов солнечного света, отражающегося от его солнцезащитного козырька.
• Хотя это, конечно, уже учтено в его орбите, в основном это приведет к тому, что гало-орбита окажется чуть впереди (по направлению к Солнцу) гало-орбиты вокруг L1, рассчитанной без учета эффектов фотонного давления. Здесь «слегка впереди», вероятно, порядка нескольких километров или десятков километров.
• Агрессивный наклон солнцезащитного козырька в безопасных пределах может как модулировать ускорение +z, так и добавлять компонент в плоскости xy.
• Вращение космического корабля вокруг оси +z орбиты во вращающейся раме с наклонным солнцезащитным козырьком направит составляющую тяги в плоскость xy, хотя, вероятно, недостаточно, чтобы компенсировать полные 2,4 м/с в год, получаемые в настоящее время от реактивной тяги. маневры каждые 21 день.

Импульсная разгрузка

Я не слишком много разбирался в том, как разгрузить импульсные колеса JWST, используя только давление солнечных фотонов. Колеса потребуются не только для сохранения положения, но и для выполнения регулярных наклонов и вращений, необходимых для направления фотонного давления для удержания на месте.

Как только космический корабль немного наклонится, центр результирующего фотонного давления не будет включать в себя центр масс космического корабля, поэтому будет по крайней мере некоторый крутящий момент для работы .

Возможно, что эти маневры ориентации могут быть спроектированы парами, чтобы они были нейтральными по угловому моменту, так что они естественным образом компенсируют друг друга с точки зрения вращения колес с течением времени.

Мнение

Я думаю, что для этого есть место . Тем не менее, я не думаю, что окончательный ответ можно получить с помощью анализа величин на оборотных сторонах конвертов. Реальный ответ можно было бы получить только из еще более подробных расчетов методом Монте-Карло, чем те, которые уже были изложены в модели Монте-Карло для космического телескопа Джеймса Уэбба . Звучит как интересный проект!

Короткий ответ - нет. Точки Лагранжа — это седловые точки в топологическом смысле. Они лишь квазистабильны, но на самом деле не стабильны. Давления солнечной радиации достаточно, чтобы вызвать нутацию и прецессию оси вращения КА " Ветер " в течение года (образует эллипс на полярной диаграмме диаметром около 1 градуса). Одна только эта сила в конце концов оттолкнет любой космический корабль, так что нет, она не может оставаться бесконечно долго.

Существуют также возмущения в гравитационных полях, которые в течение длительных периодов времени также подталкивают космический корабль к любой квазиустойчивой седловой точке.

Существует также пыль из межпланетного и межзвездного пространства, которая сталкивается с космическими кораблями на гиперзвуковых скоростях, вызывая небольшие плазменные шлейфы. Пыль из межзвездного пространства имеет предпочтительное направление, поэтому любой космический корабль будет медленно сбиваться с квазистабильной седловой точки.

В любом случае, может ли это быть практичным способом поставить JWST на «паузу», скажем, на 2 года, без сжигания топлива / выброса массы, чтобы сохранить свою орбиту вокруг L2?

Даже с вращающимся космическим кораблем орбита начинает экспоненциально затухать примерно через месяц. Ветер выполняет только четыре маневра по удержанию станции в год, и каждый из них стоит всего ~ 4-10 см / с топлива (что эквивалентно примерно 0,1 кг или меньше). Для сравнения, ACE выполняет маневры раз в две недели или около того . Разница в том, что ACE — это прядильщик, направленный на солнце, а Wind — эклиптический прядильщик. ACE необходимо указать определенное направление для связи с Землей и потому, что один из его плазменных инструментов выходит из строя (поэтому они немного наклонили ось вращения, чтобы в большей степени полагаться на менее поврежденные аноды).

Можно было бы, в принципе, просто подождать 9 месяцев и снова вставить Ветер относительно точки L1 Земля-Солнце, но чем дольше вы ждете, тем дороже (с точки зрения топлива) это становится. Если бы мы подождали 2 года, Ветер (или любой другой космический корабль, вращающийся вокруг точки Лагранжа) находился бы на гелиоцентрической орбите вокруг Солнца, как Земля. Если бы космический корабль находился на L1 (L2), космический корабль вращался бы вокруг Солнца быстрее (медленнее), чем Земля. На самом деле это то, что делает STEREO .

Так что нет, если бы JWST не использовал топливо в течение 2 лет, он находился бы на гелиоцентрической орбите вокруг Солнца.

Забавное примечание: команда полетов JWST придумала новый набор вариантов тяги, чтобы попытаться сэкономить топливо, и в начале 2014 года они представили свою идею мне и команде Wind . Они хотят использовать Wind в качестве пробного запуска, чтобы увидеть, будут ли маневры двигателя не только работать, но и экономить топливо.

Старый способ заключался в тяге только тогда, когда космический корабль находился на линии Земля-Солнце, и тяга была выровнена с линией Земля-Солнце (ну, как можно ближе). Причина в том, что вы не хотите применять крутящий момент ни к вашей орбите вокруг точки Лагранжа, ни к вашей орбите вокруг Солнца. Идея команды JWST заключалась в том, чтобы оттолкнуться от линии Земля-Солнце под углом к ​​линии Земля-Солнце. Поэтому я указал, что это добавит крутящие моменты в систему, и я был обеспокоен. Они пошли и опубликовали статью, найденную по адресу doi: 10.2514/6.2014-4304 . Оказывается, поскольку маневры используют всего от нескольких до нескольких десятков см/с, крутящие моменты будут минимальными и некритическими, поэтому мы пошли дальше. Это уменьшило наши типичные затраты топлива на маневр примерно на 5-10%.

Я до сих пор нахожу это немного забавным, потому что в то время у Wind оставалось топлива более чем на 120 лет...