Projekt statku kosmicznego

Projektowanie statków kosmicznych obejmuje szeroki obszar, w tym projektowanie zarówno zrobotyzowanych statków kosmicznych ( satelity i sondy planetarne ), jak i statków kosmicznych do lotów kosmicznych z udziałem ludzi ( statki kosmiczne i stacje kosmiczne ).

Pochodzenie

Projektowanie statków kosmicznych narodziło się jako dyscyplina w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych wraz z pojawieniem się amerykańskich i radzieckich programów eksploracji kosmosu . Od tego czasu nastąpił postęp, chociaż zwykle mniejszy niż porównywalne technologie naziemne. Wynika to w dużej mierze z trudnego środowiska kosmicznego, ale także z braku podstawowych badań i rozwoju oraz innych czynników kulturowych w społeczności projektantów. Z drugiej strony, kolejnym powodem powolnego projektowania aplikacji do podróży kosmicznych jest wysoki koszt energii i niska wydajność osiągania orbity. Koszt ten może być postrzegany jako zbyt wysoki „koszt początkowy”. ^{[ potrzebne źródło ]}

Zaangażowane obszary inżynierii

Projektowanie statków kosmicznych łączy aspekty różnych dyscyplin, a mianowicie: ^{[ potrzebne źródło ]}

Astronautyka do projektowania misji i wyprowadzania wymagań projektowych,
Inżynieria systemów w celu utrzymania linii bazowej projektu i wyprowadzenia wymagań podsystemu ,
Inżynieria łączności do projektowania podsystemów komunikujących się z ziemią (np. telemetria ) i wykonujących pomiary odległości .
Inżynieria komputerowa do projektowania komputerów pokładowych i magistrali komputerowych . Podsystem ten opiera się głównie na technologiach naziemnych, ale w przeciwieństwie do większości z nich musi: radzić sobie ze środowiskiem kosmicznym, być wysoce autonomiczny i zapewniać wyższą tolerancję błędów.
- Może zawierać komponenty utwardzane promieniowaniem klasy kosmicznej.
Inżynieria oprogramowania dla oprogramowania pokładowego , które obsługuje wszystkie aplikacje pokładowe, a także oprogramowanie sterujące niskiego poziomu. Ten podsystem jest bardzo podobny do projektów naziemnego oprogramowania działającego w czasie rzeczywistym i wbudowanego,
Elektrotechnika do projektowania podsystemu zasilania, który wytwarza, magazynuje i rozdziela energię elektryczną do wszystkich urządzeń pokładowych,
Teoria sterowania do projektowania podsystemu kontroli położenia i orbity , który prawidłowo wskazuje statek kosmiczny i utrzymuje lub zmienia orbitę zgodnie z profilem misji; sprzęt używany do uruchamiania i wykrywania w kosmosie jest zwykle bardzo specyficzny dla statków kosmicznych,
Inżynieria cieplna do projektowania podsystemu kontroli termicznej (w tym grzejników, izolacji i grzejników), który utrzymuje warunki środowiskowe zgodne z działaniem wyposażenia statku kosmicznego; Ten podsystem ma technologie bardzo specyficzne dla przestrzeni kosmicznej, ponieważ w przestrzeni kosmicznej promieniowanie i przewodzenie zwykle dominują jako efekty termiczne, w przeciwieństwie do Ziemi, gdzie konwekcja jest zwykle głównym zjawiskiem,
Inżynieria napędowa do projektowania podsystemu napędowego, który zapewnia środki transportu statku kosmicznego z jednej orbity na drugą,
Inżynieria mechaniczna do projektowania konstrukcji i mechanizmów statków kosmicznych, a także doboru materiałów do zastosowania w próżni . Obejmują one belki, panele i rozkładane dodatki lub urządzenia oddzielające (do oddzielenia od pojazdu nośnego ).

Podsystemy statków kosmicznych

Struktura

Autobus statku kosmicznego przewozi ładunek. Jego podsystemy obsługują ładunek i pomagają w prawidłowym skierowaniu ładunku. Umieszcza ładunek na właściwej orbicie i tam go utrzymuje. Zapewnia funkcje porządkowe. Zapewnia również utrzymanie orbity i położenia, energię elektryczną, dowodzenie, telemetrię i obsługę danych, strukturę i sztywność, kontrolę temperatury, przechowywanie danych i komunikację, jeśli jest to wymagane. Ładunek i szyna statku kosmicznego mogą być różnymi jednostkami lub mogą być połączone. Adapter wspomagający zapewnia interfejs nośny z pojazdem (łącznie ładunek użyteczny i szyna statku kosmicznego).

Statek kosmiczny może również mieć ładunek miotający, który jest używany do napędzania lub pchania pojazdu w górę, oraz człon napędowy. Powszechnie stosowanym propelentem jest sprężony gaz, taki jak azot, płyn, taki jak monopropelent hydrazyna lub paliwo stałe, które jest używane do korekcji prędkości i kontroli położenia. Na etapie kopnięcia (zwanym również silnikiem doładowania apogeum, modułem napędowym lub integralnym stopniem napędowym) do wysłania statku kosmicznego na orbitę misyjną używany jest oddzielny silnik rakietowy. Podczas projektowania statku kosmicznego należy wziąć pod uwagę orbitę, która ma być używana, ponieważ wpływa na kontrolę położenia, projekt termiczny i podsystem zasilania elektrycznego. Ale efekty te są drugorzędne w porównaniu z wpływem wywieranym na ładunek ze względu na orbitę. Tak więc podczas projektowania misji; projektant wybiera taką orbitę, która zwiększa wydajność ładunku. Projektant oblicza nawet wymagane parametry wydajności statku kosmicznego, takie jak celowanie, kontrola termiczna, ilość mocy i cykl pracy. Następnie powstaje statek kosmiczny, który spełnia wszystkie wymagania. ^{[ potrzebne źródło ]}

Określanie i kontrola postawy

Podsystem określania i kontroli położenia (ADCS) służy do zmiany położenia (orientacji) statku kosmicznego. Istnieją pewne zewnętrzne momenty obrotowe działające na statek kosmiczny wzdłuż osi przechodzącej przez jego środek ciężkości , które mogą zmienić orientację statku kosmicznego w dowolnym kierunku lub spowodować jego obrót. ADCS niweluje te momenty obrotowe, stosując równe i przeciwne momenty obrotowe za pomocą napędu i nawigacji. Moment bezwładności nadwozia ma być obliczony w celu wyznaczenia zewnętrznych momentów obrotowych, co wymaga również określenia bezwzględnego położenia pojazdu za pomocą czujników. Właściwość zwana „sztywnością żyroskopową” służy do zmniejszenia efektu wirowania. Najprostsze statki kosmiczne osiągają kontrolę poprzez obracanie się lub interakcję z ziemskimi polami magnetycznymi lub grawitacyjnymi. Czasami są niekontrolowane. Statek kosmiczny może mieć kilka korpusów lub być przymocowany do ważnych części, takich jak panele słoneczne lub anteny komunikacyjne, które wymagają indywidualnego wskazania położenia. Do kontrolowania położenia wyrostka robaczkowego często stosuje się siłowniki z oddzielnymi czujnikami i kontrolerami. Stosowane różne rodzaje technik kontroli to: ^{[ potrzebne źródło ]}

Techniki kontroli pasywnej.
Techniki kontroli rotacji.
Techniki sterowania trójosiowego.

Telemetria, śledzenie i dowodzenie

Telemetria, śledzenie i dowodzenie (TT&C) służą do komunikacji między statkiem kosmicznym a systemami naziemnymi. Funkcje podsystemu to:

Sterowanie statkiem kosmicznym przez operatora na Ziemi
Odbieraj polecenia łącza w górę, przetwarzaj je i wysyłaj do innych podsystemów w celu implikacji.
Odbieraj polecenia łącza w dół z podsystemów, przetwarzaj je i przesyłaj na Ziemię.
Stale informuj o pozycji statku kosmicznego.

Komunikacja

Proces wysyłania informacji do statku kosmicznego nazywany jest łączem w górę lub łączem do przodu, a proces przeciwny nazywany jest łączem w dół lub łączem zwrotnym. Łącze w górę składa się z poleceń i tonów określania odległości, podczas gdy łącze w dół składa się z telemetrii stanu, tonów określania odległości, a nawet może zawierać dane dotyczące ładunku. Odbiornik, nadajnik i antena szerokokątna (półkulista lub dookólna) to główne elementy podstawowego podsystemu komunikacyjnego. Systemy o dużych szybkościach transmisji danych mogą nawet wykorzystywać antenę kierunkową, jeśli jest to wymagane. Podsystem może nam zapewnić spójność między sygnałami uplink i downlink, za pomocą których możemy mierzyć przesunięcia Dopplera o szybkości zasięgu. Rozmiar podsystemu komunikacyjnego jest określany na podstawie szybkości transmisji danych, dopuszczalnej stopy błędów, długości ścieżki komunikacyjnej i częstotliwości radiowej.

Zdecydowana większość statków kosmicznych komunikuje się za pomocą anten radiowych – komunikacji satelitarnej . ^{[ potrzebne źródło ]} Kilka statków kosmicznych komunikuje się za pomocą laserów — albo bezpośrednio z ziemią, jak w przypadku LADEE ; lub między satelitami, jak w przypadku OICETS , Artemis , Alphabus i europejskiego systemu przekazywania danych .

Moc

Podsystem elektroenergetyczny (EPS) składa się z 4 podjednostek:

Źródło zasilania (bateria, ogniwo słoneczne, ogniwa paliwowe, para termoelektryczna)
Jednostka pamięci (liczba akumulatorów w serii)
Dystrybucja zasilania (okablowanie, przełączanie, ochrona przed wstrząsami)
Regulacja i kontrola mocy (aby zapobiec przeładowaniu i przegrzaniu baterii)

Termiczny

Podsystem kontroli termicznej (TCS) służy do utrzymywania temperatury wszystkich elementów statku kosmicznego w określonych granicach. Dla każdego składnika zdefiniowana jest zarówno górna, jak i dolna granica. Istnieją dwie granice, a mianowicie operacyjna (w warunkach pracy) i przetrwania (w warunkach niepracujących). Kontrola temperatury odbywa się za pomocą izolatorów, grzejników, grzejników, żaluzji oraz poprzez odpowiednie wykończenie powierzchni elementów. ^{[ potrzebne źródło ]}

Napęd

Główną funkcją podukładu napędowego jest zapewnienie ciągu w celu zmiany prędkości translacyjnej statku kosmicznego lub zastosowanie momentów obrotowych w celu zmiany jego momentu pędu. W najprostszym statku kosmicznym nie ma wymogu ciągu, a zatem nawet wyposażenia napędowego. Ale wiele z nich potrzebuje kontrolowanego ciągu w swoim systemie, więc ich konstrukcja obejmuje jakąś formę odmierzonego napędu (układ napędowy, który można włączać i wyłączać w małych krokach). Pchanie jest wykorzystywane do następujących celów: zmiany parametrów orbity, sterowania położeniem podczas pchania, korygowania błędów prędkości, manewrowania, przeciwdziałania siłom zakłócającym (np. oporu) oraz sterowania i korygowania momentu pędu. Podsystem napędowy zawiera propelent, zbiornik, system dystrybucji, ciśnienie i sterowanie propelentem. Obejmuje również pędniki lub silniki.

Przykładowa architektura z połowy 2010 roku misji załogowego lotu kosmicznego na Marsa, zgodnie z wizją amerykańskiej agencji kosmicznej NASA.

Architektura misji kosmicznych

Projekt statku kosmicznego jest zawsze oparty na konkretnej architekturze misji rozważanego lotu kosmicznego. Zazwyczaj można sobie wyobrazić różne architektury misji, które osiągnęłyby ogólny cel lotu, niezależnie od tego, czy celem jest zebranie danych naukowych, czy jedynie transport ładunku w środowisku kosmicznym, aby służyć różnym celom, rządowym lub ekonomicznym.

Architektury misji lotów kosmicznych będą określać, czy statek kosmiczny ma być autonomiczny , czy telerobotyczny , a nawet mieć załogę , aby sprostać określonym wymaganiom lub celom misji. Inne kwestie obejmują szybkie lub wolne trajektorie, skład ładunku i pojemność, długość misji lub poziom redundancji systemu, dzięki czemu lot może osiągnąć różne stopnie tolerancji na błędy .

„Żagle słoneczne lecą z science fiction do rzeczywistości” . Popularna mechanika .