Das Design der Halo-Umlaufbahn des James-Webb-Weltraumteleskops

Wurde die JWST-Halo-Umlaufbahn aus einer stabilen Halo-"Vorlage" ausgewählt, und was waren "grob gesagt" die Kompromisse zwischen den wissenschaftlichen Missionsanforderungen der JWST, der Lebensdauer der Umlaufbahn und den Kosten für die Stationshaltung?

Mit "allgemein" meine ich, dass ich mit den Ergebnissen einer Analyse zufrieden wäre, die das Delta-v pro Jahr, die eingeschiffte Kraftstoffmenge, ... mit der "Amplitude / Größe / Auslenkung" vergleicht (was auch immer dies bedeutet, ist oben zu Ihnen) der Halo-Umlaufbahn und ihrer Periode. Es wäre schön, wenn Sie die Einschränkungen des Deep Space Antenna Network (wie man die Sichtbarkeit maximiert und Verbindungen mit der Erde verbindet) und das Startfenster berücksichtigen könnten.

Dies ist eine große, schöne Frage, und ich bin mir nicht sicher, ob ich sie alle beantworten kann, aber ich gebe meinen Senf dazu.

Mir sind keine größeren delta-v-spezifischen Kompromisse gegen wissenschaftliche Anforderungen bekannt, aber es kann zu einer gewissen Interaktion zwischen Beobachtern und Stationswächtern im Zusammenhang mit der Drehung des Teleskops um seine Achse kommen (siehe unten). Wahrgenommene ^1- Budgetgrenzen konkurrieren immer Kopf an Kopf mit wissenschaftlichen Fähigkeiten und wahrgenommenen ^1- Zeitplänen, aber nach bestem Wissen und Gewissen sind die Konstrukteure des Teleskop-"Busses" (Navigation, Lageregelung, Positionshaltung, Energiemanagement, Wärmemanagement usw. ) bekamen einfach eine Anforderungsliste und eine primäre Mindesteinsatzdauer von ² von 10 Jahren und sie lieferten eine wirklich schöne Lösung!

Das SOHO-Raumschiff:

(für 2 Jahre geplant, jetzt im 26. Jahr, obwohl fast verloren) ist ein großartiges erstes lehrreiches Beispiel für die Positionserhaltung für eine Halo-Umlaufbahn.

Wir wissen, dass Halo-Umlaufbahnen in der realen Welt immer instabil sind und regelmäßig stationiert werden müssen. Sie sind exponentiell instabil, sodass sich die Drift eines Raumfahrzeugs von seiner „idealen“ ^3- Halo-Umlaufbahn schnell beschleunigt. Ich erinnere mich, dass die Verdopplungszeit für SOHO nur zwei Wochen betrug. Das Schöne an Delay-Doppler-Messungen mit einem Raumfahrzeug mit kohärentem Transponder ist, dass Positions- und Geschwindigkeitsabweichungen im Bereich von Metern und Millimetern pro Sekunde erfasst werden können, sodass man sich noch einige Monate erholen muss, wenn genügend Treibstoff vorhanden ist Was getan werden muss.

Nach heutigen Maßstäben verwendete SOHO eine relativ einfache Stationshaltungsstrategie. Es ist ein Sonnenteleskop und muss auf die Sonne zeigen, um seine Arbeit zu erledigen. Es hat einen Sonnenrichtungssensor und Hardware, die seine Achse in diese Richtung zeigt, und da es sich bei Sonne-Erde L1 befindet, bedeutet dies, dass das hintere Ende, wo sich die Hauptantenne und die Haupttriebwerke befinden, ungefähr in die allgemeine Richtung der Erde zeigt .

SOHO befindet sich knapp außerhalb seiner idealen Umlaufbahn, so dass es, wenn es keine Stationierung gibt, beginnen würde, sich auf dem instabilen Verteiler der Umlaufbahn spiralförmig in Richtung Erde zu drehen. Das bedeutet, dass die Stationshaltung einfach ist; Die Erde misst ihre Driftgeschwindigkeit von ihrer idealen Umlaufbahn weg und zur Erde und berechnet dann, wie viele Sekunden ihre Triebwerke brennen müssen, um sie zurück zur Sonne zu drücken.

Es ist eine einfache und potenziell sehr effiziente 1D-Stationshaltungslösung, die seit 26 Jahren funktioniert!

Für mehr zu all dem siehe Roberts 2002 und andere Quellen ⁴

Das aktuelle Weltraumteleskop wird diskutiert:

kann sowohl von all der erstaunlichen Anfangsarbeit an Halo-Orbit-basierten Missionen als auch von Jahrzehnten des Denkens und Forschens und Verbesserns aller Teile der Weltraumtechnologie profitieren, die in einen modernen Raumfahrzeugbus einfließen.

Und in einer interessanten Wendung hat die Tatsache, dass es sich um ein Infrarotteleskop handelt, ein zusätzliches Stück treibstoffsparender orbitaler mechanischer Zauberei geliefert.

Wie bei SOHO ist seine Umlaufbahn so konzipiert, dass sie immer etwas näher an der Erde liegt als ihre ideale Halo-Umlaufbahn. Und wie SOHO wird es ständig von der Erde aus per Delay-Doppler überwacht und erhält regelmäßig Anweisungen von der Erde, um seine Umlaufbahn zu steuern.

Aber da es sich eher auf L2 als auf L1 befindet, wird es im Gegensatz zu SOHO etwas näher an der Sonne sitzen als auf seiner idealen Umlaufbahn.

Die Tatsache, dass es sich um ein Infrarotteleskop handelt, das eine kalte Optik und kalte Sensoren erfordert, die mit einem riesigen mehrschichtigen, reflektierenden Sonnenschild (und einer passiven Strahlungskühlung zum Weltraum) erreicht werden, bietet eine Quelle für freien Antrieb in die Richtung weg von Sonne und Erde (jetzt bei L2 ) und in Richtung seiner idealen Halo-Umlaufbahn. Das Raumschiff kann die beiden Effekte gegeneinander ausspielen; Wenn es vom Ideal weg und in Richtung Erde driftet, kann es seinen Sonnenschutz mehr auf die Sonne ausrichten und den Sonnenphotonenschub zurück in seine Umlaufbahn erhöhen. Wenn es sich zu schnell auf seine ideale Umlaufbahn zurückbewegt, kann es seinen Sonnenschutz etwas schräg zur Richtung der Sonne ausrichten, wodurch der Schub verringert wird und die Mechanik der orbitalen Instabilität seine Abdriftgeschwindigkeit verlangsamen kann.

Aber wie kann es die Richtung des Sonnenschilds ändern, ohne die Richtung zu ändern, in die das Teleskop zeigt?

Hier könnte ein gewisses Maß an Gleichgewicht zwischen Wissenschaft und Delta-V gefunden werden, aber es ist ein weiches. Für viele Situationen kann sich das Teleskop einfach um seine optische Achse drehen und trotzdem die gleiche Beobachtung machen. Es gibt eine Reihe solcher Drehungen, bei denen der Sonnenschutz die Sonnenwärme blockieren, aber die Richtung des reflektierten Lichts variieren und somit die Größe des Photonenschubs entlang der Sonne-Erde-Achse modulieren kann. Bei einigen Beobachtungen ist die Flexibilität möglicherweise geringer als bei anderen, aber diese Dinge werden im Rahmen der Beobachtungsvorschlags- und Planungsphasen im Detail verwaltet.

Kurz gesagt, ein Teil des Delta-V-Budgets wird ohne die Verwendung von Treibmittel bezahlt, indem der Sonnenschutz des Teleskops geschickt manövriert wird, indem er sich um die optische Achse des Teleskops dreht.

Der Rest wird mit den Triebwerken des Raumfahrzeugs erledigt.

Mehr zu all dem finden Sie unter:

• diese Antwort auf das James-Webb-Teleskop; Grenzen der Treibmittellebensdauer? Enthält viele Informationen zum Delta-V-Budget und zu stabilen/instabilen Verteilern
• diese Antwort auf Könnte JWST "für immer" bei L2 bleiben? behandelt weitere Details über die Stationshaltungsstrategie und das Budget des Teleskops und Links zur Stationshaltungs-Monte-Carlo-Simulation für das James Webb-Weltraumteleskop, von wo aus die Schätzung von (nur!) 2 bis 4 m/s pro Jahr für seine Triebwerkskomponente zu Delta kommt -v, im Gegensatz zu seiner reflektierenden Sonnenblende, die Delta-v erzeugt.
• diese Antwort auf Was passiert mit JWST, wenn ihm das Treibmittel ausgeht? schlägt vor, dass es, wenn alles gut geht, wahrscheinlich über seine anfängliche 10-Jahres-Mission hinaus dauern wird, und spekuliert über die langfristige Möglichkeit, dass entweder mehr Treibstoff nachgeliefert oder ein zusätzliches Triebwerk von einer zukünftigen Mission geliefert wird.
• Alle Antworten auf Wie wird JWST die Auswirkungen des Sonnendrucks bewältigen, um die Fluglage und die Station beizubehalten, um ihre instabile Umlaufbahn zu halten?
• Alle Antworten auf Delta-v pro Jahr für eine Erde-Mond-Vanille-Halo-Umlaufbahn?

¹ Natürlich war die Genauigkeit der Wahrnehmung der Grenzen des Budgets und des Zeitplans während der Entwurfsphase auf eine Art Mark Twain ungenau (und selbst das scheint ein falsches Zitat zu sein 1 , 2 , 3 ).

² Wenn alles gut geht, ist es wahrscheinlich, dass das Teleskop weit über diese Grenze hinaus wissenschaftlich arbeiten kann. Darauf einzugehen, ist ein großartiges Thema für eine neue Frage, wenn es nicht von bestehenden Fragen und Antworten abgedeckt wird.

³ Eine „ideale“ Halo-Umlaufbahn könnte diejenige sein, die eine minimale Menge an Delta-V für die Positionserhaltung hat. Es gibt keine genaue Definition.

⁴ Es gibt viel Material über SOHO in und die relevanten Dokumente sind hier

Es gibt eine Seite mit Wiederherstellungsdokumenten oder Sie können darüber lesen in Aerospace America May 1999: Saving SOHO oder den Artikel von ESAs FC Vandenbussche SOHO's Recovery – An Unprecedented Success Story oder für weitere technische Details; Roberts 2002 Die Halo-Umlaufbahn der SOHO-Mission L1 nach den Anomalien der Lagekontrolle von 1998 .

mit besonderem Schwerpunkt auf Roberts 2002.

Meine Frage basierte auf meiner Vermutung, dass die Designer von JWST eine „ideale“ Umlaufbahn als Ziel gewählt hatten. Außerdem dachte ich, dass ihr Hauptantrieb der erforderliche Treibstoff für die Positionserhaltung sein würde. Daraus wäre eine logische Schlussfolgerung, dass dieses ideale Ziel, falls es existiert, eine Umlaufbahn wäre, die überhaupt keine Positionshaltung erfordert, wenn die realen Störungen in einem ersten Schritt vernachlässigt werden. Dann würde eine Strategie zur Beibehaltung der Position entwickelt, um sich um diese Störungen zu kümmern, die im Vergleich zu den Hauptkräften, die in dem idealen Modell enthalten sind, das zur Ableitung der "Null-Stationshalte"-Umlaufbahn verwendet wird, ohnehin als klein angenommen werden.

Meine Frage ging auch davon aus, dass JWST gestartet und manövriert werden würde, um einer Halo-Umlaufbahn zu folgen. Dies liegt an einer früheren Diskussion nach der Frage von @uhoh. Sind einige Halo-Umlaufbahnen tatsächlich stabil? , bestätigte, dass zumindest theoretisch eine Familie stabiler Halo-Umlaufbahnen bei Erde-Sonne L2 existiert. Diese Klasse von Umlaufbahnen, wie klein auch immer, dachte ich, würde den Ausgangspunkt für das Design der JWST-Umlaufbahn darstellen.

Beachten Sie, dass im Gegensatz zu ISEE-3, das nur 4 Jahre auf einer L1-Umlaufbahn gehalten wurde, das Ziel für JWST ein Betrieb von bis zu 10 Jahren ist. Farquhar teilte uns mit, dass ISEE-3 10 m/s/Jahr von Delta-v benötigt, um die Position zu halten. Das Stationserhaltungsbudget für JWST darf 83,5 m/s Delta-v nicht überschreiten (150 m/s insgesamt minus 66,5 m/s für den Transfer zum Librationspunktorbit). Die für die Lageregelung verwendeten Reaktionsräder werden einen Teil dieses „in der Umlaufbahn“ verbleibenden Delta-v-Budgets übernehmen.

Nachfolgende Untersuchungen, die ich durchführte, ergaben Folgendes:

• Die Designer der Librationspunktbahn von JWST beschränkten sich nicht auf eine Lösung in der Unterklasse der Halobahnen.

Diese Informationen sind auf der Orbit-Seite der JWST User Documentation Home Page verfügbar . Die Seite hat einen Satz, der lautet:

Die L2-Orbitform ist nicht eingeschränkt, daher sind Torus-Orbits, Halo-Orbits oder Lissajous-Orbits akzeptabel und werden hauptsächlich durch die Tageszeit und den Tag des Jahres des Starts bestimmt.

Wenn wir die Details darüber, was diese 3 Klassen von Umlaufbahnen („Torus“, „Halo“ und „Lissajous“) genau bedeuten, vorerst aufschieben, können wir bereits zu dem Schluss kommen, dass sich die Designer von JWST nicht auf die Klasse von beschränkt haben Halo-Umlaufbahnen, noch zu irgendeiner anderen Unterklasse. Vielmehr hat jede der genannten Klassen ein Mitglied, das die Missionsanforderungen erfüllt, einschließlich der 10-jährigen Stationshaltung. Außerdem erfahren wir hier, dass auf welche der 3 Klassen JWST tatsächlich folgen wird, in erster Linie von der Startepoche bestimmt wird.

Der Artikel von J. Brown, J. Petersen, B. Villac und W. Yu (2015) Seasonal variations of the JWST Orbital Dynamics liefert zusätzliche Details zu dieser Abhängigkeit. Hier erfahren wir, dass es für jeden Tag ein Startfenster gibt, das um 11:30 UTC beginnt und um 14:00 UTC endet. Insbesondere auf Seite 6 ist zu lesen:

Lissajous-Umlaufbahnen sind früh im Startfenster üblich, wandeln sich gegen 13:00 Uhr langsam in Halo-Umlaufbahnen um und werden schließlich am Ende des Tagesfensters quasi-Halo.

(verwirrenderweise heißt es auf dieser Seite der NASA: Webbs Startflugbahn versetzt ihn in eine Halo-Umlaufbahn . Vielleicht ist das, was gesagt wird, nur ein Beispiel für die vielen möglichen Startflugbahnen, und die Aussage wurde aus dem Zusammenhang gerissen.)

Beachten Sie, dass wir in Browns Veröffentlichung nirgendwo eine Erwähnung von „stabilen Halo-Umlaufbahnen“ finden können, noch können wir eine Erwähnung einer stabilen Lissajous-Umlaufbahn finden. Vielmehr wurde der Stabilitätsbegriff, wann immer er in der Arbeit diskutiert wurde, zusammen mit dem Begriff „Mannigfaltigkeit“ verwendet . Auf Seite 13 ist zum Beispiel zu lesen:

Abbildung 13 zeigt beispielhafte Trajektorien im stabilen Verteiler einer Halo-Umlaufbahn. Andere LPOs haben entsprechende stabile Mannigfaltigkeiten , einschließlich quasi-periodischer Umlaufbahnen.

Eine stabile/instabile Mannigfaltigkeit für eine Klasse von Umlaufbahnen mit einer bestimmten Geometrie ist nicht gleichbedeutend mit „stabilen/instabilen Umlaufbahnen“ in dieser bestimmten Geometrie. Mein aktueller „Take-Away“ ist, dass, wenn wir nach irgendeiner Form von Stabilität suchen, alle drei LPO-Klassen „stabile Mannigfaltigkeiten“ besitzen, und dies würde laut Brown et.al. Die Arbeit zu erledigen bedeutet (dank des Kommentars von @uhoh), dass das Raumschiff, wenn es sich auf dem stabilen Verteiler befindet, der mit einer bestimmten Umlaufbahn verbunden ist, früher oder später diese Umlaufbahn erreicht, ohne dass Treibstoff verbraucht wird. Auf der anderen Seite, wenn es eine instabile gibtVerteiler, der mit der Umlaufbahn verbunden ist, verlässt ein Raumfahrzeug auf der Umlaufbahn und leicht verschoben durch eine kleine Störkraft aus der Umlaufbahn die Umlaufbahn (exponentiell in der Zeit). Daher besteht die Aufgabe der Positionserhaltung darin, das Raumschiff davor zu bewahren, versehentlich in einen nahe gelegenen instabilen Verteiler zu "treten".

• Also, wie haben sie es entworfen? (und wer waren sie?)

Ein Artikel von David Folta, Steven Foley und Kathleen Howell (2001) Trajectory Design Strategies for the NGST L2 Libration Point Mission wirft weiteres Licht auf den verwendeten Ansatz. NGST (New Generation Space Telescope) ist der frühere Name des JWST.

Zunächst werden wir an die Hauptanforderungen der NGST-Mission (alias JWST) erinnert (Tabelle 1).

Dann wird uns gesagt, dass anstelle der traditionellen „Shooting-Methode“ ein verbesserter Ansatz basierend auf der Dynamical System Theory (DST) ausgenutzt wurde. Hier kommt der Begriff „Manifold“ ins Spiel, z. B. Zitat (Seite 4):

Eine invariante Mannigfaltigkeit ist als eine n-dimensionale Oberfläche definiert, so dass eine Umlaufbahn, die auf der Oberfläche beginnt, während ihrer gesamten dynamischen Entwicklung auf der Oberfläche verbleibt. Eine invariante Mannigfaltigkeit ist also eine Menge von Bahnen, die eine Oberfläche bilden. Invariante Mannigfaltigkeiten, insbesondere stabile, instabile und zentrale Mannigfaltigkeiten, sind Schlüsselkomponenten in der Analyse des Phasenraums.

Wie diese geometrischen Konzepte (stabil/instabil, Zentrumsmannigfaltigkeiten) streng definiert und wie sie tatsächlich berechnet werden, erfordert ziemlich fortgeschrittene mathematische Werkzeuge. Tatsächlich geht das Papier (zumindest meiner Meinung nach) nicht auf diese verschiedenen Arten von Verteilern ein. Dennoch enthüllte das Papier einige einzigartige Einschränkungen des JWST-Orbitaldesigns. Insbesondere:

• Die Größe der Y-Amplitude hat einen großen Einfluss auf das Delta-v für den Orbitaltransfer (Tabelle 3): Obwohl eine 400 km lange Lissajous-Y-Amplitude existiert, würde sie einen Delta-v-Transfer von 123 m/s erfordern.
• Stationshaltende Schübe dürfen den JWST nur von der Sonne wegschieben. Dadurch soll eine Kontamination des optischen Instruments vermieden werden.
• Stabilität und Positionshaltung nur mit einachsigen Manövern: X-Achse (ich verstehe nicht, ob dies eine Anforderung oder eine Machbarkeit oder eine wünschenswerte Lösung ist)
• Stationshaltung unter Berücksichtigung des konstanten Sonnenstrahlungsdrucks (SRP).
• Keine Eclipse-Avoidance-Manöver geplant.

Diese Teilantwort enthält offensichtlich Lücken. Ich hoffe, dass jemand in der Lage sein wird, diese zu füllen.