Од анализаторот на космичката прашина до моделот Опис на научни вселенски сонди - PDF бесплатно преземање
Катедра за вселенска технологија, Технички универзитет во Минхен Од анализатор на космичка прашина до модел Опис на научни вселенски сонди Ралф Срама Комплетна копија на дисертацијата одобрена од Одделот за машинско инженерство на Техничкиот универзитет во Минхен за да се добие академска диплома на докторски инженер. Претседавач: Испитувач на дисертацијата: Унив.-Проф. Д-р-Инг. Д-р-Инг. хабил Р. Фридрих 1. Унив.-Проф. Д-р-Инг. 2-ри апл на Едуард Игенберг, проф. рер. нат Еберхард Грун Рупрехт-Карлс-Универзитет Хајделберг Дисертацијата е доставена до Техничкиот универзитет во Минхен на 19 јуни 2000 година и е прифатена од Машинскиот факултет на 10 ноември 2000 година.
3,91 Интерпланетарна честичка прашина
ii СОДРИНА Содржина Содржина 1 Вовед 1 1.1 Научна основа. 1 1.1.1 Интерпланетарна прашина. 1 1.1.2 Меѓуerstвездена прашина. 3 1.1.3 Прашина во природниот систем. 4 1.1.4 Полнење на честички од прашина. 6 1.2 Мисијата Касини-Хајгенс. 8 1.2.1 Научни прашања. 8 1.2.2 Вселенска сонда Касини-Хајгенс. 9 1.2.3 Барања за детектор за прашина. 9 1.2.4 Надворешни влијанија врз кабинетот на собната сонда. 12 1.3 Проблем. 14 1.4 Постапка. 14 2 Систем за анализатор на космичка прашина 17 2.1 Под-системи на аналитичар за космичка прашина (ЦДА). 17 2.1.1 Делот за влезната решетка (QP). 18 2.1.2 Сензор за удар (IID). 19 2.1.3 Хемиски анализатор (CAT). 20 2.1.4 Детектор за висока стапка (HRD). 21 2.2 Интеграција и оптимизација на целокупниот систем. 23 2.2.1 Конфигурацијата. 23 2.2.2 Дефекти. 29 2.2.3 Подготовка на мерните канали. 32 2.2.4 Софтвер. 40 2.3 Мерења на забрзувачот на прашина. 42 2.4 Први резултати од целокупниот систем. 43 2.4.1 Општа функција. 43 2.4.2 Споредба на лабораториските мерења и мерењата на летот. 43 2.4.3 Отворени прашања. 46
СОДРИНА iii 3 Проценка на ЦДА системот 49 3.1 Постапка за проценка на системот. 49 3.1.1 Преглед на параметрите. 49 3.1.2 Функција за проценка. 51 3.2 Развој на систем за проценка на податоците за лабораториските мерења 52 3.2.1 Систем за проценка на мерењата. 52 3.3 Одредување на параметрите. 59 3.3.1 Маса, потрошувачка на енергија, обем на податоци и стапка на податоци . 59 3.3.2 Трошоци. 60 3.3.3 Одредување на брзината. 61 3.3.4 Одредување на масата. 71 3.3.5 Одредување на насоката. 75 3.3.6 Одредување на товар. 77 3.3.7 Динамички опсези и пониски граници на мерење. 78 3.3.8 Резолуцијата на масата. 78 3.3.9 Подложност на откажување. 83 3.3.10 Веројатност за неуспех. 87 3.3.11 Откривање настан и сигурност на настанот. 89 3.4 Научен потенцијал на експеримент. 96 3.5 Резултати од евалуацијата. 100 4 Систем на научна вселенска сонда 103 4.1 Системски елементи и параметри. 103 4.1.1 Од едно-експериментната сонда за општ систем 103 4.1.2 Параметарски односи. 105 4.2 Системски функции и научен потенцијал. 108 4.3 Вселенската сонда Касини-Хајгенс како пример. 117 4.3.1 Преглед на системот. 117 4.3.2 Определување на параметрите на системот. 118 4.3.3 Научниот потенцијал. 120 4.3.4 Дискусија за системот Касини-Хајгенс. 122 4.3.5 Поглед. 127 4.4 Модел на школка. 129 5 Резиме 131
iv СОДРИНА A Размислувања за системот за вселенска сонда 135 B Трошоци за вселенска мисија 139 Б.1 Историја и фактори на трошоци. 139 Б.2 Оптимизација и трендови. 141 Б.2.1 Програмирање и управување. 141 Б.2.2 Технички аспекти. 142 Б.2.3 ДезингтоКост. 143 Б.3 Резиме. 144 C Проблем со набудување на вселенска сонда 147 Ц.1 Предлози. 147 C.1.1 Дискусија за 1-ви предлог. 147 Ц.1.2 Дискусија за 2-риот предлог. 150 Д Официјалните правила за летање Касини-Хајгенс 153 Е Дискусија за функцијата на омега 155 F Комбинаторика и веројатности за неуспех 157 G ЦДА блок-дијаграм 165 H Лист со податоци на вселенската сонда Касини-Хајгенс 167 H.1 Карактеристики на вселенската истрага. 167 Настани на мисијата H.2. 167 H.3 DieCassiniTour18-5. 168 I лист со податоци на Анализаторот на космичката прашина 169
10 1 ВОВЕД Слика 2: Вселенското летало Касини. Лево и десно од експериментот за прашина ЦДА (Анализатор на космичка прашина) седи сондата Хајгенс на ЕСА (лево) и антените на експериментот со радио плазма бранови. Антенскиот сад има дијаметар од 4 m. Интерпланетарно пространство 1. Мерења на флуксите и композициите на прашина на растојание од 1 AU од сонцето заради споредба со резултатите од другите вселенски мисии и со копнените откритија; Истражување на распределбата на прашина над Јупитер. 2. Одредување на радијалниот профил на реките од одделни популации на прашина како функција на растојанието од сонцето. Одредување на траекторите и брзината на различните популации на прашина. Идентификација на изворот на прашина со одредување на елементарниот состав (астероид, комета, систем на Јупитер, меѓуerstвезден.). 3. Определување на електричниот полнеж на честичките и нивните процеси на полнење. Јупитер 1. Споредба со резултатите од мисијата Галилео за утврдување временски варијабилни појави. 2. Одредување на елементарниот состав на струите на прашина од Јупитер. Сатурн 1. Определување на дистрибуцијата на густината и динамиката на честичките прашина во прстенестиот систем и во близина на Месечините на Сатурн.
20 2 СИСТЕМ ЗА АНАЛИЗАР ЗА КОЗМИСКИ ПРАВИ. Влијанието на честичката со голема брзина на површината доведува до бројни настани: се појавува ударен кратер, честичките и деловите на целниот фрагмент, се појавува ударна плазма и се формираат неутрални честички. Во зависност од брзината на ударот и масата на честичката, доминираат одредени процеси. Влијанија при мала брзина (0). За да се измерат сигналите со големи мултипликатори, треба да се измери напонот напред-
Брзина [км/с] Р. Srama MPI-K процени.про, декември 17 09:37:51 1999 QEoQC_Speed_kmos_1072.ps 90 3 ЕВАЛУАЦИЈА НА ЦДА СИСТЕМОТ 100 10 1072 триаголник = IID крст = CAT со спецификација. Точка = CAT без спектар. 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QC Слика 43: Со влијанија врз IID, односот на полнење QE до QC покажува дали брзината на ударот е поголема од 15 km/s. Крстите (лево) се влијанија врз CAT, што исто така покажа спектар на влијанија врз мултипликаторот. Триаголниците (десно) се влијанија врз IID. Односот QE и QC дава јасна индикација дали влијанието на честичките се случило на IID или CAT. за микропроцесорскиот систем на експериментот. Симболот = треба да се толкува како заклучок во една насока (од лево надесно). Како што може да се види од Формула 48, на пример, доколку е исполнет наведениот услов, тој мора да има IID влијание. И обратно, не може да се заклучи дека сите влијанија на МИО исто така го исполнуваат овој услов. Симболот ќе се користи за ова, како што е случај во Формула 43.
Брзина [km/s] R. Srama MPI-K оценува.про. Од 17 декември 09:46:37 1999 QCoQI_Speed_kmos_1072.ps 3.3 Одредување параметри 91 100 10 1072 Триаголник = IID крст = CAT со спецификација. Точка = CAT без спектар . 1 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QC/QI Слика 44: Односот на полнење на QC и QI може да ја одреди локацијата на влијанието ако брзината е грубо позната. Крстовите ги симболизираат влијанијата на CAT со спектар на удари, точките (само слабо видливи) влијанија на CAT без спектар на удари и триаголниците претставуваат влијанија на IID. Резиме на критериуми за влијание на IID Условите 0) до 8) 21 во равенки 40 до 48 идентификуваат влијанија врз големата цел: 0 μs 20 km/s) (40) ti 90% te 90% 10 v> 10 km/s = IID влијание (42) QE QC> 0,25 IID влијание (43) QE QI> 2,5 = IID влијание (многу често) (44) QC QP 0,25 = IID влијание (48) 21 Последователното нумерирање од 0) до 8) се користи за подобра споредба со Софтвер за проценка.
Брзина [км/с] Р.Срама MPI-K процени.проб. 05.06. 18:07:15 1999 QElin_amp2_C_o_QIlin_amp1_C_f_speed_psu_kmos_f_269.ps 92 3 ЕВАЛУАЦИЈА НА ЦДА СИСТЕМОТ 100 10 269 IID триаголници CAT-со-спектрум квадрат IIekt 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 QE/QI Слика 45: Односот на полнење на QE и QI може да ја одреди локацијата на влијанието ако брзината е грубо позната. Крстовите симболизираат влијанија на CAT без спектар на удари, триаголници на CAT влијанија со спектар на удари и квадратите претставуваат влијанија на IID. Резиме на критериумите за влијанието на КАТ 16) до 30) во равенките од 49 до 63 ги идентификуваат влијанијата врз малата цел
116 4 НАУЧНИОТ СИСТЕМ НА ИСТРАУВАЕ НА ПРОСТОРОТ Научниот потенцијал P W на вселенска сонда сега е изразен со сигурноста на магистралата, степенот на интеграција на автобусот со сонда I B и синергијата S и научниот потенцијал на научните експерименти P WIj. Вредноста P W служи како мерка за тоа колку ефективно целиот систем на сонди може да изврши научни набудувања. Оваа вредност е додаток на претходно вообичаените дефиниции како на пр Мегабити/трошоци што ги карактеризираат ваквите системи досега. Сликите 57 и 58 ги прикажуваат зависностите на вредноста P W. Слика 57: Зависност на научниот потенцијал на вселенската мисија PW од степенот на интеграција на автобусот IB со различна сигурност на автобусот, на пр. 1000 Научен потенцијал на вселенската сонда ZB = 0,9 S = 0,5 IB = 0, 8 100 IB = 0,6 PWIB = 0,5 10 IB = 0,4 IB = 0,3 IB = 0,2 1 5 8 11 14 17 20 20 26 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Збир на P WI Слика 58: Дијаграмот покажува зависност на научниот потенцијал на вселенската мисија PW од научниот потенцијал на неговите инструменти P WI = PP WIj со различни степени на интеграција на автобусот за вселенска сонда IB.
130 4 СИСТЕМ ЗА НАУЧНИ СОБИ
133 веројатност за правење научни откритија. Во дизајнот на вселенската сонда, мора да се бара интеграција и не додавање на потсистемите со цел да се минимизираат меѓусебните интеракции и да се задржи нискиот број на општи ограничувања (ориентација на вселенските сонди) За големите системи, комплексноста треба да ги зголеми можностите, сигурноста и да ги поедностави операциите на мисијата. Целта е да се оптимизира целиот систем и да не се оптимизираат одделните подсистеми. Оптимизирање на степенот на интеграција е секако полесно со мали, помалку комплексни сонди. Функционалните односи воспоставени во оваа работа за пресметување на научен потенцијал се засноваат на нашето сопствено искуство во проектот Касини-Хајгенс и можеби ќе треба да се прилагодат на мисијата што се разгледува. Постапката прикажана овде може да се донесе.
138 РАЗГОВОРИ НА СОСТЕМСКИОТ ПРОБЕ СИСТЕМ и целите на политиката на еден проект. Потоа, од ова е избран соодветниот критериум за водење. Доколку е потребно, целите мора да бидат прилагодени на критериумот за водење, ако на пр. се избира моделот на финансиски трошок што не треба да се надминува (водечки критериум 1.). Следната фаза вклучува прецизен дизајн на леталото што може да ги постигне бараните цели. Неопходно е да се процени потребната електрична моќност на потребните експерименти и нивната потребна тежина. Ако побарувањата на експериментите се превисоки, во зависност од изборот на критериумот за водење и приоритет на под-аспектите, или целите мора да се редефинираат за да може полесно или поевтино да се дизајнираат експериментите (дескопирање) или вселенската сонда, во рамките на дозволениот напор, потребите на Експериментите се прилагодени (зголемете ја сондата за простор, се зголемуваат напорите на проектот).
Б.3 Резиме 145 се покажа како успешно. Сепак, овие мисии не можат да се постигнат според строгите спецификации на трошоците со голема стапка на успех и мала веројатност за грешки. Сепак, други успешни мисии на камен-темелник на ЕСА, како што е Розета, може да ја наречат под знак прашалник филозофијата на НАСА за побрзо поевтино подобра.
146 Б ТРОШОЦИ НА МИСИЈА НА ПРОСТОР
154 D СЛУБЕНИ ПРАВИЛА ЗА ЛЕТ НА КАСИНИ-ХУИГЕНС
166 Г ЦИДА БЛОК ДИЈАГРАМ
167 H податочен лист на вселенската сонда Касини-Хајгенс H.1 вселенска сонда има својство на електрична енергија на Сатурн 660 W почетна маса 5600 кг маса на научни. Орбитерски инструменти 360 кг Маса на примерокот од Хајгенс Инструменти 43,8 кг # од научните сензори 66 гориво 2500 кг Волумен на складирање на податоци 4 Глиби Точност на усогласување 2,0 мара Стабилност на порамнување 0,036 мрд над 5 с Каталог на Starвезди 3700 starsвезди # Автобуски микропроцесорски системи 26 Висина 6,8 м Дијаметар на главната антена 4 м Должина на дрвото магнетометар 11 м Програмски јазик Ада моќност на предавателот 19 W Брзина на податоци при Сатурн 140 kbits/s Главна моќност на моторот 445 N Фреквенција на предавателот X-опсег Телеметриски мерни канали 11000 H.2 Настани во мисијата Започнете со Titan IVB 15 октомври 1997 година Венера # 1 Летање 26 април 1998 година Излез # 1 16 декември 1998-10 јануари 1999 година Венера # 2 Прелетување 24/6/1999 Прелетување на Земјата 18.08.1999 Влегување на астероидниот појас 12/12/1999 Излез на астероидниот појас 4/10/2000 Антена со голема добивка заземјувана 12/2/2000 Прелет на Јупитер 12/30/2000 .2004 година Крај на мисијата 1 јули 2008 година
ЛИСТА НА 168 H ПОДАТОЦИ НА ИСТРАУВАЕТО НА КСАСИНИ-ХУЈГЕНС ПРОСТОР H.3 H турнеја во Касини 18-5 Слика 74: Тура низ мисијата Касини-Хајгенс на Сатурн. Сегментите во боја се 1.7.2004-15.2.2005 (бело), 15.2.2005-1.4.2005 (виолетова), 1.4.2005-7.9.2005 (портокалова), 7.9.2005-22.7.2006 (зелена), 22.7. 2006-30.6.2007 (сина), 30.6.2007-31.8.2007 (жолта) и 31.8.2007-1.7.2008 (црвена). Внатрешната испрекината линија одговара на полу-главната оска на орбитата на Титан, надворешната испрекината линија одговара на полу-главната оска на Јапет. Насоката на сонцето одговара на правецот + x, z одговара на поларната оска на Сатурн. Единицата на оската е радиус на Сатурн. Графиката е создадена од К.Грециоер.