Neptün ve Uranus yakın bir şekilde çalışmak için uzay aracı, Mars veya Jüpiter'in en çok gelişen mühendislik zorluklarından birini sunar. Büyük mesafeler, aşırı soğuk ve - en kritik olarak - Malzemelerin sınırlarını zorlamak, elektronik tasarım ve görev mimarisi. nispeten iyi huylu çevreler, bu dünyadaki yüzlerce kez daha yoğun olan buz devleri, Dünya'nın Van Allen kemerleri, bu gelecekteki uzayları ve uzayları etkileyen eşsiz bir karışımla, bu tür optikleri incelemeden önce, bu makaleleri ve parlak radyasyon ortamlarını inceler.
Neptün ve Uranus'un Radyasyon Kuşağının Haritası
Radyasyon ortamının anlaşılması, herhangi bir uzay aracı tasarımında ilk temel adımdır. Uranus ve Neptün için birincil veriler 1986 ve 1989'da Voyager 2'nin tek uçlarından geliyor.Bu kısa karşılaşmalar beklenenden dramatik olarak farklı magnetospheres ortaya çıkardı.
Uranian Radyasyon Kemeri
Voyager 2, Uranus'un oldukça eğimli ve manyetik bir alana sahip olduğunu keşfetti - manyetik eksen rotasyon eksenlerinden yaklaşık 60 derece eğimli ve alanın merkezi, gezegensel yarının yaklaşık üçte biri fiziksel merkezden ayrılmıştı.Bu sıra dışı geometri dinamik, asimetrik bir radyasyon kemeri oluşturur. Energetici elektronlar, Satürn'teki bu parçacıkların yaklaşık 10 tane daha fazla sıkıştırılmış partikülleri olduğu gözlemledi.
Neptunian Radyasyon Kemeri
Neptün'ün manyetik alanı da yüksek derecede eğimli (47 derece) ve dengeleme (0.5 gezegensel radii), ancak Uranus'un dış bandında bulunan 1000'den fazla yere ulaşırken, Dünya'nın yaklaşık 1.5 katı enerjileri arasında bir dibin 2 ölçülen yoğun elektron kemerleri, özellikle iç bölgede, yüksek parçacıklı fluxlar, manyetik enerjilerden daha az ısıtılırlar (örneğin, yüksek çözünürlükte 100 binden fazla enerjiden daha düşük olan) ısıtılır.
Tehlikelerle karşılaştırıldığında: Electrons vs. Ions
Her iki buz devlerinin radyasyon ortamı enerjik elektronlar tarafından yönetilir, yılda küçük bir proton ve daha ağır iyonlar. Düşük çözünürlükte bir kutup yörüngesi için Neptün (örneğin, 1.000 km), bu mesafelerdeki toplam iyonize doz, bu yüzden tehdit neredeyse tamamen kapanık partiküllerden ve galaktik ışınların tipik radyasyon toleransından fazladır (10-30 krad) Güneş parçacıklarının (muhtemelen) Güneş lekeleri - güneş lekeleri - güneş ışığının yüzeyindeki santimetrelik boşlukları - büyük ölçüde bloke edilir.
Buz-Giant Misyonlarında Başarısızlık Moduları ve Degradasyon
Radyasyon hasar uzay sistemlerinin mühendislere karşı önlemlere nasıl öncelik verdiğini anlamak. birincil başarısızlık mekanizmaları şunları içerir:
- [0]Topluluk Dose'yi (TID): [D:D: [DÜDÜT:1) Accumated enerji, verimliliği azaltan veya kısa sürede şarj edilen radyasyon tabakalarının kaynaklandığı, eşleme gerilimi değiştirme ve sonunda fonksiyonel başarısızlıklara yol açabilir. Örneğin, güç transistörleri (FETs)
- [DDD: [DDD: [DDDD: 1) Yüksek enerjili parçacıklar (özellikle protonlar ve nötronlar) fiziksel olarak silikondaki lattice pozisyonlarının dışına atomları çalıyor, şekerleme ve güneş hücreleri ömür boyu, Neptün'de, Dünya'nın sadece 1/900'ü nerede, güneş dizileri uygulanabilir, bu yüzden RTG'ler enerji kaynağına zarar veriyor; yine de, radyasyon kaynaklı hasarlar ve termositasyonlar dikkate alınmalıdır.
- [FONT:0) Tek- Event Effects (SEE): ), tek bir yüksek enerjili parçacığı (kozmik ışın veya kapanık proton), geçici bir bit dönüş (SEU), bir latch-up (SEL) veya yıkıcı bir yansım (SEB) ile hassas bir şekilde geçilemeyecek kadar ölümcül olabilir.
- [[D:0)Surface Şarj ve İç Dielektrik Şarj (ESD): [DÜDÜT:1), Bir plazma zengin ortamda, uzay aracı yüzeyler, enerjik elektronlardan sorumlu bir şekilde şarj edilebilir, hassas elektroniklere veya phantom komutlarına neden olur. Deep dielektrik şarjı yüksek enerjili elektronlar ısı battaniyeleri ve depoları içine dökmek için meydana gelir iç içe bir risk oluşturabilir.
Bu başarısızlık modlarının her biri bir kalkanlama, parça seçimi, devre tasarımı ve operasyonel kısıtlamalarla ele alınmalıdır.
Devlet-of-Art Shielding Approaches
Shielding savunmanın ilk hattıdır, ancak bir uzay aracının sınırlı kütle bütçesidir - bu da bilimsel aletleri, tahrik ve güç taşımak zorundadır - mevcut kütleyi verimli bir şekilde kullanmaktır.
Pasif Shielding Materials
Alüminyum, elektronlara karşı iyi bir durdurma gücü sunmak ve protonlara karşı ılımlı performans sunmaktır. Ancak, Uranus ve Neptün'te, düşük enerjili elektronlar ve UV gibi düşük seviyeli malzemeler, yüksek çözünürlükte üretilen bir hidrojeni daha etkili bir şekilde kırılabilir.
Araştırmacılar ayrıca yüksek hidrojen içeriği ile kombine edilmiş gelişmiş kompozitler geliştiriyorlar, örneğin metal hipnoz veya grafikte betonarme polimerler. Örneğin, 5 mm kalın bir magnezyum hydride-gerçekten oluşan polimer tabakası sadece üçte 10 mm'ye eşdeğer elektron kalkanı sağlayabilir.Bu malzemeler hala gelecekteki buz-enerjik yörüngelerdedir.
Spot Shielding ve Graded-Z Shields
Tüm uzay aracı boyunca battaniye kalkanı eklemek yerine, mühendisler sadece en hassas elektronikleri korumak için lekeli zemin kullanabilir.A Graded-Z kalkanı - farklı atomik sayılardan katmanlı radyasyonu azaltır - elektron bremsstrahlung (düşük) ve yüksek elektronların yüksek derecede düşük enerjili elektronların içindeki ısıtılması için üretilen x-Z (pisiyonel)
Aktif Shielding: Sonraki Frontier
Aktif kalkan, elektromanyetik alanları uzay aracından uzaklaştırmak için kullanır, Dünya manyetik alanında analog. İki ana konsept soruşturma altında:
- [FONT:0)Magnetic Deflection:[Dönetici: 0DD:0)[Dönetici:0)Magnetic Deflection:[D)[[Dönetici:[Dönetici: 0) Bir süper iletkenliği taşıyan bir çiftliği, uzay aracına olan bir dipol alanı yaratır. Yüksek sıcaklık süper iletkenleri (örneğin, YBCO) ısıtabilir.
- [FONT:0]Electrostatik Shielding:[Dönetici: [Dönetici: 0,3] Bir set şarj plaka veya ızgaralar, elektronları uzaklaştıran bir repülsive elektrostatik alan oluşturur. Ancak, bir plazma ortamında, uzayın etrafındaki heath alanı kısa sürede ve gerilim gerekli (megavolt) için gerekli olan gerilimler.
Neptün orbiter için aktif kalkanlar 100 kg'dan belki 30 kg'a kadar kalkan kitleyi azaltabilir, araçlar veya pervanant için ücretsiz olarak çalıştırılabilir. Ancak aktif kalkanlar için teknoloji hazırlığı seviyesi (TRL) şu anda 2-3; 2030'da bir görev veya 2040'larda bir küçük ölçekli gösterici test etmek için ilk olabilir.
Radyasyon-Harded Electronics ve Sistem Mimarisi
En iyi kalkan ile bile, bazı radyasyon elektroniklere ulaşacak. Bu nedenle, elektroniklerin yüksek doz bir ortamda çalışması için tasarlanmış olması gerekir.
Radyasyon-Hardized Elements
Mars, NASA ve ESA'nın ötesinde derin uzay görevleri için, RAD750 işlemcisi (200 krad) ve birkaç nesil tarafından ticari silikonun arkasındaki yeni performans gecikmeleri (örneğin, buzul-yo-yaşlı görevler için) özel olarak kullanılan TID ve SEL'ye karşı koymak için gerekli olan 100-300 krad tolerans.
Systems-Level Mitigation
Anahtar mimari stratejileri şunları içerir:
- [FONT=0)Triple modüler Redüpsi (TMR): ), Üç aynı mantık devreleri çıktıya oy veriyor, bu yüzden tek bir üzgün bir hataya neden olmaz. TMR, kumandan ve hata koruma mantığı gibi kritik fonksiyonlara uygulanır.
- [FONT=0)Error Tespit ve Düzeltme (EDAC): ) Memory Hamming kodları veya Reed-Solomon kodlarının, hafızanın yeniden yazması ve yeniden yazması için kullanmasına izin verir.
- [FONT:0]Watchdog Timers ve Güvenli Mods: Ana işlemci bir SEE nedeniyle asılırsa, bir saatdog zamanı sistemi sıfırlar. Güvenli mod devresi genellikle düşük geri dönüş anten kullanarak Dünya ile iletişim kurmak için ayrı olarak inşa edilir.
- [FONT=0]Cold Sparing:[Dönetici:[Dönetici: 0) Bir eleştirel alt sistem (örneğin, güç dönüştürücü) bir araya gelene kadar yedeklenmiş durumda.
Operasyonel Planlama ve Orbit Tasarımı
Uranus veya Neptün etrafındaki yörünge seçimi dramatik bir şekilde radyasyon maruziyeti azaltılabilir. Neptün için, en yoğun radyasyon, 1.5 ila 4 gezegensel radii arasında bir torus ile sınırlı kalırken, bu bölgede sadece kısa sürede hızlanan yüksek bir yörüngede, örneğin, yüksek çözünürlükte 30 günlük bir yörüngede, 50 apoapsis ile birlikte, yüksek çözünürlükte sadece birkaç saat boyunca yüksek dozda bir miktar yörüngeye kadar uzanır.
Alternatif olarak, yarı zamanlı kemer tamamen kaçınan bir kutup yörüngesi – gezegendeki tüm yüklerle karşılaştırılabilirse – bu yüzden sürekli sessiz bir “temel” bir yaklaşımla toplam doz azaltılabilir. Uranian sistemi, eğimli bir alanda çalışır: düşük güçteki uzay aracı daha karmaşıktır: geniş bir dizi boyunca manyetik yükseltici süpürücü süpürücükürücükürücükürücükürücükürücük, bu yüzden sürekli sessiz bir “temel” bir yörüngede bulunan bir görüntüyü gerçek zamanlı olarak test edebilir.
Bir Radyasyon Ortamında Termal Yönetim
Neptün (30 AU) yörüngesine dayanıklı güneş ışığı sadece 1 W /m2 - Dünya'nın 1.900'den fazla uzay aracı, elektronik ve RTG'lerden gelen ısıya kıyasla uygun olmayan bir şekilde, daha büyük bir endişe, daha karanlık radyasyon kontrol yüzeyleri (radyolar, solar reflektörler) içerir.
Güç ve İttifak: RTG Radyasyon Tahminleri
Güneş panelleri için güneş ışığı çok zayıf, nötron ve kumar ışınlarının yanı sıra, süper teleskopların (RTG) veya potansiyel olarak, Stirling tabanlı radyoisotope güç sistemleri (RPS) RTG, bir patlamada mümkün olduğunca yüksek bir flux yayıyor, merkezi bir kalkan (örneğin, iki tane de) ile birlikte bir kablonun üzerindeki yüksek çözünürlükte bir patlamaya yol açıyor.
Buz-Giant Misyonları için Test ve Kazanılanlama
Bir Neptün orbiter için radyasyon-hardness güvencesi (RHA) titiz bir akış takip eder. Bileşenler kalifiye satıcılardan kaynaklanır (örneğin, QML V veya QML Q parçalar için MIL-PRF-38535). Örnekler, tek bir elektron destekli spektrumu kullanarak, tek bir elektron-beam hızlandırıcı testinde kullanılan bir test için, tek bir elektron-kontraksiyonda kullanılan bir testte kullanılır.
Vaka Çalışmaları: Voyager ve Future Concepts'tan Dersler
Voyager 2'nin kısa uçları, radyasyon ortamının bir anlıkını verdi, ancak genişletilmiş bir maruz kalma gerekli değildi - uzay aracı yıllarca tükenmedi. Sonuç olarak, Voyager 2, buzullu karşılaşmalar sırasında önemli radyasyon bozulmalarıyla karşılaşmadı. Ancak, Galileo ve Cassini misyonları (veyabiting Jupiter ve Satürn, sırasıyla) Galileo'nun misyonu, kaset rekorlayıcısının radyasyon kaynaklı hasardan muzdarip olduğu zaman sona erdi; Cassini'nun RTG-güçlü elektronikleri arasında ciddi bir radyasyon bozulmadı.
Uranus Orbiter ve Probe (UOP) ve Neptün Orbiter (örneğin, Buz Dev Misyonu) için önerilen kavramlar şu anda özel bir radyasyon mitigation özellikleri içerir: kumanda ve veri elleme sistemi için alüminyum-politan kompozit bir alüminyum, zorlanmış kemerler elektronikleri yok eder ve böylece eğimli bir veri kaydı EDAC ile birlikte hayatta kalmak için yeterlidir.
Future Research
Birkaç umut verici araştırma alanları buz-göçücü görevler için radyasyon korumasını dönüştürebilir:
- [FONT:0)Makine doz tahmin için öğrenme:[Dönetici modellerinde eğitilmiş onboard nöral ağlar radyasyon aksanlarını ve otonom olarak güvenli-mode girişini tahmin edebilir (bu, Neptün'de 8-10 saat ışık zamanı gecikmesi vardır).
- [FONT:0)Kendi kendine özgü devreler: Radyasyon kaynaklı hasarları termal ekleme veya mikrofluidic teslim edilmesi ile tamir edebilecek malzemeler çip seviyesinde araştırılıyor.
- [FONT:0)Radiation-hardized FPGAs with adaptive scov: Field-programlanabilir kapı dizileri (FPGAs) RTG4 (Mikroçi) gibi, uzaydan-nitelik; gelecekteki versiyonlar, kullanılmamış mantıkta üzgünleri iyileştirmeye yönelik üçlü-reddent kumaş ve kısmi yeniden yapılandırılabilir.
- [FONT:0) İnşaat elementleri olarak ikiye katlanan kompozitler göze alınmıyor: Uzaylının duvarları hem birincil yapı hem de radyasyon kalkanı olarak hareket etmek için (örneğin, boron-aluminum balcomb paneli) kütleyi özel koruyucu katmanları ortadan kaldırarak kurtarabiliyor.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Uranus'un aşırı radyasyon ortamlarında yıllarca ayakta kalabilen bir uzay aracı tasarlayın ve Neptün eşsiz parçacık spekülasyonuna karşı çok fazla test doğrulama talep eder: Aktif manyetik kalkan ve makine öğrenimine en kısa sürede gelen teknolojileri kullanarak, üst düzey bölgelerdekileri en kısa sürede elde eden, görev planlayıcıları, en iyi iki yıl içinde en önemli olan en önemli iki yüzeydeki verileri en iyi şekilde düzelten bir şekilde ödüllendirmek için mümkün olan en uygun şekilde test doğrulamayı gerektirir.