Table of Contents
האתגר של התכנסות מהחלל החיצון
משימות רננדנדוס עם באטס ו אסטרואידים מייצגים כמה מהמאמצים התובעניים ביותר מבחינה טכנית במדע הפלנטרי.בניגוד למשימות זבובי שלוכדות הצצה קצרות ככל שהן עוברות, חללית הרנצו חייב להתאים את מסלולו של גוף קטן, מעוצב באופן לא סדיר, שלעתים קרובות יש לו שדה כבידה מאופיין גרוע.
הבנת הסביבה המבצעת
טמפרטורה קיצונית ו-Thermal Cycling
כוכבי הלכת והסטרואידים חסרים אווירה משמעותית לטמפרטורה מתונה.חלל במסלול סביב אחד הגופים הללו עשוי לחוות קרינה סולארית ישירה בצד אחד, בעוד הצד השני ניצב בפני שטח עמוק ליד אפס מוחלט.עבור אובייקטים שמסתובבים לאט, כגון אסטרואידים רבים, טמפרטורות פני השטח יכולות לנוע בין יותר מ -100 מעלות צלזיוס באור השמש מתחת ל -150 מעלות צלזיוס בצל.
מיקרומטאורואיד ו-Duris Hazards
קומתיות קומיות מלאות אבק וחלקיקי קרח נוסעים במהירויות גבוהות יחסית.אפילו גרגר חול מכה חללית בכמה קילומטרים לשנייה יכול לגרום נזק משמעותי. אסטרואידים מכוסים לעתים קרובות באולית, ואת הפעולה של מסלול או נחיתה יכול לבעוט פסולת.Spacecraft חייב להיות שריון באזורים קריטיים עם מגנים חוטפים או מבנים דומים כי לשבור ולהפיץ חלקיקים רגישים יותר של כלי נגינה יציבים מאחורי רכיבי תאורה סטנדרטיים יותר.
סביבה קרינה
מעבר למגנטיות המגנה של כדור הארץ, קרני קוסמיות גלולקטיות ואירועים חלקיקים סולאריים מהווים איום מתמשך על אלקטרוניקה ובריאות האדם על משימות מאוישות.עבור חללית רובוטית, הדאגה העיקרית היא אפקטים חד-לשוניים שבהם חלקיקים באנרגיה גבוהה גורמים לצריפים, לנצ'סטרים, או נזק קבוע לרכיבים למחצה.
עיצוב עיצוב מורכב וחומרי
משקל אור אך חומרים קלים
כל קילוגרם של מסה דורש דחף משמעותי להאיץ, כך מעצבי חלל תמיד מחפשים חומרים קלים יותר.סגסוגת אלומיניום-lithium, טיטניום, ומדורגים פחמן-פיבר מציעים יחס גבוה במשקל עד משקל.עבור משימות אסטרואיד, שבו החללית עשויה להיות צריכה לגעת או לעגן על פני השטח, חומרים חייבים גם לעמוד בפני שחיקה ממשטחים חדים, סלעיים.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
משימת OSIRIS-REx השתמשה במגן של חמישה שכבות על קפסולת ההחזרה המדגם שלה כדי להגן על הדגימות במהלך החזרה.עבור אוטובוס החללית עצמו, אלקטרוניקה קריטית וטנקים מדחף ממוקמים לעתים קרובות באזור ליבה מוגן, בעוד שמרכיבים פחות חיוניים ממוקמים החוצה כדי לספוג השפעות. Honeycomb מבנים עם פני אלומיניום לספק נוקשות והשפעה על מסה מתקדמת נמוכה עם חיישנים מוטבעים יכול לזהות את היכולת הטבעית שלה, כמו אפקט מאפשר לזהות את ההשפעה של כדורעף יעיל.
מערכות חשמל עבור משימות ארוכות-דור
רדיואיזוטופים Thermoelectric Generators ו-Surrys
משימות לנסוע למערכת השמש החיצונית, כגון משימת רוזטה לבוא 67P / צ'ימפונוב-Gerasimenko, לעתים קרובות להסתמך על גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים כי השמש הופכת חלשה מדי עבור לוחות סולאריים במרחקים גדולים מהשמש.עבור משימות לאובייקטים קרובים לכדור הארץ או אסטרואידים מרכזיים, מערךים סולאריים מתקדם עם תאים תלת-פעמיים גבוהים יכול לספק מסלולים מתאימים בדרך כלל.
אחסון סוללות וניהול כוח
משימות חלליות דורשות אחסון אנרגיה אמין לתקופות של ליקוי או כאשר החללית מתמרנת. סוללות ליתיום-יון עם צפיפות אנרגיה גבוהה הן נפוצות, אבל הן חייבות להיות מנוהלות בקפידה תרמיות כדי למנוע חימום יתר של מערכות ניהול כוח להשתמש נקודת כוח מקסימלית מעקב כדי להפיק את האנרגיה ביותר ממערך סולארי להפיץ כוח למחום, מכשירים ומערכות הנעה.
עיצוב ההנעה והטרטקס
Ion וחשמלי Propulsion
מערכות הנעה חשמלית, כגון מנועי הול-אפקט ומנועי יון מעוננים, מציעים דחף ספציפי מאוד, כלומר הם צורכים פחות דחף לשינוי נתון במהירות.המשימה שחר השתמש בהנעה של יון כדי להיכנס למסלול סביב וסטורה ומאוחר יותר Ceres, להפגין את הכדאיות של הטכנולוגיה הזו עבור התחדשות אסטרואידים.מדחף חשמלי דורש חשמל משמעותי, לעתים קרובות מסופק על ידי מערך סולארי גדול, הם גם לייצר שינויים מהירים כל כך, כדי למנוע שינויים מהירים כדי להשיג שינויים מהירים יותר, יש צורך במהירות גבוהה.
נטייה כימית ל Maneuverability
עבור שילוב מקיף, נחיתה, או איסוף דגימות, מערכות הנעה כימית לספק דחף גבוה המאפשר תמרונים מהירים. מנועי Bpropellant באמצעות דלקים היפרגליים כמו מונוmethyl hydrazine ו tetroxide חנקן הם אמינים וניתן לחדש מחדש פעמים רבות.כמה משימות להשתמש במערכות היברידיות המשלבות מערכות כימיות וחשמליות כדי לאזן יעילות ותגובה.מערכת ההנעה חייבת להיות מעוצבת עם דליפות, חסומים עמידים, חסומים, חסומים, חסומים עמידים, ושרירים, כדי למנוע את המשתנים מחדש, כדי לשמור על טמפרטורה חשמלית, כדי למנוע את הטמפרטורות אדומות, כדי לשמור על מנת למנוע את הגורמות לשרירים.
הדרכה, ניווט ובקרה
ניווט אוטונומי סביב גופים קטנים
בואוטס ו אסטרואידים יש שדות כבידה חלשים וגלויים מאוד, מה שהופך את נחישות המסלול המסורתית מכדור הארץ לבלתי אמינה.החללית חייבת להשתמש בניווט אופטי - השוואת תמונות של המטרה לשדות כוכבים ידועים - להעריך את המיקום והמהירות שלה.FLT:0Autonomous ניווט מערכות FLT:1 יכול להתאים את המסלול בזמן אמת ללא המתנה לפקודות קרקע, שהוא חיוני לגישה סופית ונחית עבור נתונים רבים של אלגוריתמים ו-J.
בקרת בטיחות ויציבות
הצבעה מוקדמת נדרשת עבור מכשירים לקחת מדידות מדעיות ולאנטנות לתקשר עם כדור הארץ. גלגלי התגובה הם המנגנון העיקרי עבור רוטטת החללית, אבל הם חייבים להיות מוכתים מעת לעת באמצעות דחף, אשר צורכת דחף. כמה חלליות, כמו המשימה Hayabusa2, להשתמש בשילוב של תגובה ודחפים קטנים לשליטה קנס.
תקשורת וData Handling
רשתות תקשורת חלל עמוק
(התקשרות מעל מאות מיליוני קילומטרים דורשת אנטנה גדולה על פני כדור הארץ ומדרדרים חזקים על החללית.רשת החלל עמוק נאס"א משתמשת ב- 70 מטר ו- 34 מטר אנטנה בקליפורניה, ספרד ואוסטרליה כדי לשמור על כיסוי רציף.Spacecraft להשתמש X-band ו- Ka-band תדרים, עם שיעור נתונים יציב עם מרחק.
רשת חתירה-Tolerant Networking
פרוטוקולים סטנדרטיים באינטרנט כמו TCP / IP מניחים כי שקיפות נמוכה וקישוריות רציפה, אשר אינם קיימים בחלל עמוק.ד.ד.ל-סובלנות רשת (DTN) מאחסנת חבילות נתונים בצומת ביניים ומקדמת אותם כאשר קישור הופך זמין. גישה זו החנות-and-קדימה מבטיחה כי הנתונים בסופו של דבר מגיעים ליעדו גם אם הקישור הוא לסירוגין או מתעכב על ידי דקות רבות או שעות.
רדיפת וסבלנות
מערכת ההפעלה Redundant Subsystems
(FLT:0) RedundancyFLT:1 הוא עמוד השדרה של חוסן חלליות. תת-מערכות קריטיות כגון כוח, תקשורת, שליטה בגישה, ומניעה משוכפלים בדרך כלל.באדריכלות כפולה, כל מחרוזת מכילה סט מלא של רכיבים, ואת המחרוזת השנייה יכולה לקחת לחלוטין אם הראשון נכשל.
אמינות תוכנה וטעויות
(התוכנות הסובכותניות) עוקב אחר בריאות המערכת ויכולות לאפס או לשנות רכיבים כאשר אנומליות מזוהה. Watchdog Timers להבטיח שהמחשב לא נתקע בלולאה אינסופית.תיקון קוד תיקון שגיאות (ECC) מתקן את צפי סיביות חד-ביט הנגרמים על ידי קרינה.עדכוני תוכנה ניתן להעלות מכדור הארץ כדי לתקן באגים או לשפר את הביצועים, אבל החללית חייבת להיות מסוגלת לפעול בבטחה ללא התערבות הקרקעית לתקופות סיכון בלתי צפויות: 0LT.
מצב בטוח ותכנון עקבי
כאשר אנומליה מזוהה כי החללית אינה יכולה לפתור באופן מיידי, היא נכנסת לתצורה של תצורה של תצורת ALT:0Safe ModeFLT:1.במצב בטוח, החללית מציגה את לוחות השמש שלה כלפי השמש, מבססת קישור תקשורת נמוך עם כדור הארץ, ומחכה לפקודות קרקע.העיצוב של מצב בטוח חייב להיות חזק להפליא, תוך שימוש רק במרכיבים אמינים ביותר.
בדיקות ואימות לפני ההשקה
מבחן Vacuum ו-Vbration Testing
Spacecraft נבדקים בתאי ואקום תרמיים המדמיינים את הסביבה הריקת והרמיבית של החלל.מבחנים אלה חושפים את החללית לקיצוניות הטמפרטורה ולתנאי הלחץ שהיא תנסה במהלך המשימה. Vibration ובדיקה אקוסטית מדמיינת את התנאים האלימים של שיגור טילים, שבו החללית חייבת לשרוד עומסים גבוהים ומבנה רעש אקוסטי.
בדיקות קרינה
רכיבים אלקטרוניים נבדקים על ידי חשיפתם למקורות קרינה כדי לקבוע את סובלנותם למינון הכולל ולאפקטים חד-משמעיים. Components שאינם עומדים בדרישות מוחלפים בגרסאות מוחשות קרינה.חלק מהמשימות משתמשות ב-FLT:0מסחרי מחוץ ל-H-shelf (COTS)FLT:1 רכיבים שאינם חד-משמעיים קרינה, אך ניתן להגן או להשתמש בהם בתצורה של מצופה כדי להשיג אמינות.
שילוב ומיזוג מערכת
כל תת-מערכת חייבת לעבוד יחד ללא תקלות.שילוב בדיקות תרגילים מערכת ניהול הפקודה והמידע, ניהול כוח, בקרת גישה, ומניעה כמכלול משולב.תוכנה-ב-the-the-the-In-the-the-the-In-the-the-loops לבחון את התגובה של החללית כדי לדמות קלטות חיישן. Verification מאשר כי העיצוב עומד בכל דרישות המשימה, בעוד אימות מבטיח כי העיצוב בפועל המתאים לסביבה.
שיעורים ממשימות היסטוריות
רוזטה ופיליה
המשימה של סוכנות החלל האירופית רוזטה הייתה הראשונה לפגישתו עם באקט ופרוס של ארצ'ר, פילים, על פני השטח שלה.העיצוב של רוזטה כלל לוחות סולאריים גדולים שסיפקו כוח אפילו ב 5.3 יחידות אסטרונומיות מהשמש.החלל השתמש בגלגלי תגובה ודחפורים עבור שליטה בגישה והחזקה תקשורת עם כדור הארץ באמצעות אנטנה גבוהה של 2.2 מטר גבוה פילאיים, כמו הנחיתה לא היה מסוגל להפעיל מחדש את החלל שלו: 0.
הייאבוזה והייאבוזה 2
משימות הייאבוזה של JAXA הוכיחו את הפוטנציאל ואת האתגרים של דגימה אסטרואיד בחזרה.הההאבוזה המקורית סבלה מכישלונות דחף, הפרעות תקשורת, ואובדן כמעט שומן של שליטה בגישה במהלך הגישה שלה אל Itokawa.המשימה של Hayabusa2 למדה מחוויות אלה משולב ניווט, הנעה וסובלנות אשמה.זה החזיר בהצלחה דגימות של Ry.
OSIRIS-REx ו-Bennu
המשימה של נאס"א ל Bennu גילה כי פני השטח של האסטרואיד היו הרבה יותר מצפוי, המחייבת התאמות לתוכנית איסוף הדגימה.מנגנון רכישת הדגימה של החללית Touch-And-Go (TAG) השתמש בזרוע דמוית pogo שדלפה לזמן קצר על פני השטח כדי לאסוף דגימות.מערכת הניווט של החללית הייתה לזהות אזורי נחיתה בטוחים אוטונומיים.
כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות
תקשורת לייזר
מערכות תקשורת אופטיות באמצעות לייזרים יכולות לשדר נתונים לפי סדרי גודל גבוהים יותר מאשר מערכות תדר רדיו.משימה של נאס"א Psyche יפגין תקשורת לייזר עמוק מעבר לירח.עבור משימות אסטרואידים, שיעורי נתונים גבוהים יותר יאפשרו שידור תכוף יותר של תמונות ברזולוציה גבוהה ונתונים מדעיים, צמצום הנטל על אחסון לוח התכנון ויאפשרו קבלת החלטות בזמן אמת במקרים מסוימים.
המונחים: Propulsion Concepts
הנעה תרמית גרעינית והנעה חשמלית גרעינית נלמדים על יכולתם להפחית את זמני הנסיעה ליעדים מרוחקים.מערכות אלה יכולות לאפשר למשימות לבואות ו אסטרואידים במערכת השמש החיצונית, שכעת הם לא מעשיים.פלים סולאריים יכולים לספק דחף מתמשך ללא דחף, המאפשר לחללית לשנות את המסלולים לאט לאורך שנים רבות.
אינטליגנציה מלאכותית ואוטונומיה
למידת מכונה ו- AI משולבים במערכות חלליות עבור משימות כגון זיהוי שטח, הימנעות סיכונים וניתוח מדעי אוטונומי.ה-FLT:0Autonomous Sciencecraft ExperimentFLT:1 כבר הוכח על קבלת החלטות עבור כדור הארץ שמירה על לוויין אחד.עבור משימות אסטרואיד, AI יכול לעזור החללית לזהות תכונות מעניינות, לתקן את תוכנית התצפית שלה ללא פקודות לחכות עבור כדור הארץ אוטונומיה מלאה עבור איסוף זמן עבור משימות איסוף זמן קצר עבור משימות איסוף זה יהיה צורך כדי בקרת מהירות.
המונחים: Utilization
משימות עתידיות עשויות להשתמש במשאבים מהגוף היעד עצמו. אסטרואיד או חומרי באקט יכולים לייצר דחף, מים, או אפילו אלמנטים מבניים.עבור משימות ארוכות טווח או מאחזים קבועים, ניצול משאבים בהחלפה יכול להפחית את כמות המסה שיש להביא מכדור הארץ.זוהי עדיין טכנולוגיה של טבילה, אך ניסויים בסיסיים הוצעו למשימות לטווח קצר.
מסקנה
תכנון חלליות חוזרות למשימות של באקט ואסטנוס של אסטרואיד דורש גישה רבת פנים שמתייחסת לניהול תרמי, הגנה מפני קרינה, התנגדות השפעה, ניווט אוטונומי וסובלנות לקויה.כל משימה דוחפת את גבולות מה שניתן, ושיעורים של כישלונות קודמים והצלחות ממשיכים לחדד את שיטות ההנדסה.כ סוכנויות חלל וארגונים פרטיים מתכננים משימות עתידיות לאובייקטים קרובים לכדור הארץ ומעבר לכך, טכנולוגיות שפותחו עבור התחדשות קטנה יותר, אפילו מעבר למשימות סולאריות, אפילו יותר, למשימות סולאריות, כמו גם למשימות סולאריות, מעבר למשימות תכנון, ועוד.