Warum verwendet JWST keine Ionentriebwerke?

Da der L2-Punkt instabil ist, benötigt JWST Triebwerke, um seine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Es verwendet Monotreibstoffmotoren, die ihm eine Mindestlebensdauer von 5 Jahren verleihen.

Warum wurden stattdessen keine Ionenmotoren verwendet? Würden sie nicht viel mehr Delta-v für die gleiche Kraftstoffmasse liefern?

Sind sie nicht zuverlässig genug? Oder ist es einfach zu viel zusätzliche Komplexität?

Ich denke, das ist eine ausgezeichnete Frage! Ich denke, Sie könnten als nächstes fragen: "Wie würden konventionelle Triebwerke im Vergleich zu elektrischen Antrieben für die Positionshaltung eines Weltraumteleskops in einer Halo-Umlaufbahn von Sonne und Erde abschneiden? Was wären die Kompromisse für ein System, das heute entwickelt wird?"

Antworten (2)

Da der L2-Punkt instabil ist, benötigt JWST Triebwerke, um seine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Es verwendet Monotreibstoffmotoren, die ihm eine (maximale) Lebensdauer von 10 Jahren verliehen haben.

Das JWST verwendet Bi-Treibstoff-Triebwerke (Hydrazin und Distickstofftetroxid), um auf dem Weg zur Pseudo-Umlaufbahn Sonne-Erde L2 Kurskorrekturen durchzuführen, um die Umlaufbahn in diese Pseudo-Umlaufbahn einzufügen und um Umlaufbahn-Wartungsmanöver durchzuführen. Es verwendet nur Monotreibstoffmotoren für grobe Flugmanöver und Reaktionsradentsättigung.

Die Midcourse-Korrekturen, Orbit-Insertion- und Orbit-Aufrechterhaltungsmanöver erfordern eine gute Menge an Delta V, die schnell geliefert werden kann. Selbst ein Monotreibstoff-Hydrazinmotor würde nicht ausreichen. Das Hinzufügen von Monotreibstoffmotoren und etwas mehr Hydrazin zur Verwendung durch diese Monotreibstoffmotoren war im ursprünglichen Design anscheinend sinnvoller als das Hinzufügen eines ganz neuen Satzes von Tanks und Triebwerken für Ionenmotoren.

Während einige anfängliche Designentscheidungen geändert werden können, gehören Triebwerke zu den vielen Elementen auf einem Raumschiff, die vom ersten Tag an ziemlich eingefroren sind. Darüber hinaus entstand dieses ursprüngliche Design vor etwa 20 Jahren, als Ionentriebwerke gerade das Experimentierstadium hinter sich gelassen hatten. Und sie würden sicherlich nicht zu Ionentriebwerken wechseln. Deep Space 1 wurde im Dezember 1998 gestartet und es funktionierte irgendwie. DS1 hatte erhebliche Probleme und war kein voller Erfolg. Die Ionentriebwerke funktionierten zunächst nicht und das Fahrzeug schnitt bei einigen geplanten Vorbeiflügen schlecht ab.

Es ist in einer anderen Welt möglich, dass die Designer des JWST ihr Raumschiff 20 Jahre nach dem ursprünglichen Entwurf modifiziert haben könnten, um Ionentriebwerke für einen Aspekt der Fahrzeugsteuerung zu verwenden. Andererseits hätten sie das Fahrzeug auch umgestalten können, um modernere Computer, modernere Solaranlagen usw. zu verwenden. Sie haben dies teilweise aufgrund des immensen Konservatismus, der in das Design von Raumfahrzeugen eingebrannt ist, nicht getan.

Während SpaceX der NASA gezeigt hat, dass es sinnvoll ist, etwas agiler (vielleicht viel agiler) zu sein, geschah dies bis weit in die Bauphase des JWST hinein. Das JWST ist ein hervorragendes Beispiel für Weltraumforschung, die auf die Art und Weise der alten Schule durchgeführt wird, mit dem damit einhergehenden Preisschild für die Weltraumforschung der alten Schule.
Ich würde gerne die "ungeheure Menge an Konservatismus, die in das Design von Raumfahrzeugen eingebrannt ist" verstehen. Nur ein typisches Beispiel?
@NgPh JWST, zum Beispiel. Die Mars-Rover zum anderen. Die kürzlich zum Mars geschickten Rover verwenden Computer aus dem vorigen Jahrtausend, und diese Computer aus dem vorigen Jahrtausend wurden herunterskaliert, um etwa halb so schnell zu laufen wie ihre erdseitigen Äquivalente. Auf der anderen Seite verwendet der Mars-Helikopter, der eher experimentellen als operativen Status hat, (fast) brandneues Material.
Tut mir leid, aber ich habe nach einem Beispiel gesucht, das in das JWST "eingebrannt" ist.
@NgPh Das JWST folgte dem Paradigma der traditionellen Anforderungsprüfung / vorläufigen Entwurfsprüfung / kritischen Entwurfsprüfung / ... / Flugbereitschaftsprüfung. Das ist Wasserfall bis zum n-ten Grad. Es gibt sehr wenig Rückzieher von sehr frühen Konzepten in diesem Paradigma.
Dieser Qualitätssicherungsprozess sagt mir nicht, welcher Teil des JWST „immens konservativ“ ist. So viel (an Zeit, Präzision, ...) könnte die wissenschaftliche Gemeinschaft, die das Teleskop verwenden wird, gewinnen, wenn die NASA die mutige Entscheidung getroffen hätte, die Technologie bei einigen Überprüfungsmeilensteinen zu wechseln (um "agiler" zu sein) in Ihren Begriffen)?
@NgPh Ich habe "Agile" geschrieben, nicht "Agile". Agile wurde ursprünglich vor etwa 20 Jahren als eine Möglichkeit konzipiert, dem Wasserfall für die Softwareentwicklung zu entkommen. In den letzten sieben Jahren hat sich das Konzept weit über die Softwareentwicklung hinaus verbreitet. Wasserfall (z. B. ein Prozess, der dem Paradigma der Anforderungsprüfung / vorläufigen Entwurfsprüfung / ... / Flugbereitschaftsprüfung folgt) ist von Natur aus und immens konservativ. SpaceX ist sehr agil (und sehr agil). Einige alte Raumfahrtunternehmen haben einige Aspekte von Agile übernommen, aber sie bleiben ein bisschen nicht agil. Ob Agilität eine Organisation agil macht, ist nicht garantiert.
@NgPh Die TL; DR-Antwort auf diesen Qualitätssicherungsprozess sagt mir nicht, welcher Teil des JWST "immens konservativ" ist. ist jedes einzelne Bit. Der Konservatismus ist eingebaut. Es ist durchaus möglich, etwas zu bauen, das in fast jeder Hinsicht „besser“ ist, indem man einfach auf die Fantasie verzichtet, alle Fallstricke vom ersten Tag an vorhersehen zu können, was die Essenz des Wasserfallmodells ausmacht.
Das wird lang, aber ich beobachte, dass Sie generell gegen einen starren und einen flexiblen Entwicklungsprozess sind, letzteres aus der SW-Welt übernommen. Ich bin nicht in der Position, irgendjemanden besonders zu verteidigen. Ich bin neugierig zu wissen, ob Sie einen typischen, klar definierten Vorteil für die "Endbenutzer" (die Astrophysiker für JWST) nennen können, wenn sich die NASA für Flexibilität entschieden hätte. Beachten Sie, dass E. Musk die Flexibilität im Produktdesign erfolgreich genutzt hat, als er im Grunde sein eigener Kunde war, und zusätzlich finanzielle Hilfe von staatlichen Institutionen erhielt, während er ein einziger Entscheidungsträger war.
@NgPh Das JWST ist selbst ein Paradebeispiel für die Probleme mit einem starren Entwicklungsprozess (auch bekannt als Wasserfall). Die Kosten sind um das Acht- oder Zehnfache gestiegen und werden über ein Jahrzehnt später als ursprünglich geplant auf den Markt kommen.
@NgPh Die Idee hinter Agile ist, dass es viel besser ist, eine Ausfallrate von 50% zu 1/10 der Kosten zu haben als 99,999% Zuverlässigkeit. Mit ersterem können Sie es sich leisten, 10 Starts durchzuführen und insgesamt eine höhere Zuverlässigkeit zu erzielen.
Verbrennungen zur Erhaltung der Umlaufbahn sind die am wenigsten sofortigen Verbrennungen, die man sich vorstellen kann. IMHO zahlt sich das Verhältnis der zusätzlichen Masse für Ionentriebwerke zur Instandhaltung der Umlaufbahn für JWST nicht aus, während die Theorie der Frage im Allgemeinen richtig ist und es von Vorteil wäre, Ionentriebwerke zu verwenden.
@OscarSmith, Die Agile-Philosophie ist relativ neu und gilt erst seit sehr kurzer Zeit für die Raumfahrt. Die Kosten, um irgendetwas in den Weltraum zu bringen, sind immer noch hoch (pro Kilogramm), aber jetzt viel niedriger als in der Vergangenheit. Wenn der Start für ein 6-Tonnen-Teleskop 10.000 $ /kg kostet, dann werden Sie mindestens 60.000.000 $ nur für den Treibstoff und die Trägerrakete ausgeben. An diesem Punkt ist es sinnvoller, etwas mehr Zeit und Geld aufzuwenden, um Ihre Chancen auf eine erfolgreiche Mission zu verbessern, und erfordert, dass jedes Teil zu 99,9999 % zuverlässig ist, was teuer ist. Wenn die Einführungskosten sinken, verschiebt sich diese Schwelle zugunsten von Agile.

Die Antwort von @DavidHammen geht weit in Richtung Antwort, insbesondere insofern, als der Bus des Weltraumteleskops vor ziemlich langer Zeit fertiggestellt wurde, als der Ionenantrieb viel weniger eine bewährte, langfristig zuverlässige Technologie war.

Es sagt:

... und Manöver zur Instandhaltung der Umlaufbahn erfordern eine gute Menge Delta V , die schnell geliefert werden kann .

Sie sind möglicherweise nicht stark genug, um sich von einer kurzen Unterbrechung der Positionshaltung zu erholen

Kommunikationssatelliten in GEO werden jetzt „vollelektrisch“, um die Station zu halten, und viele machen GTO zu GEO auch mit elektrischem Antrieb.

Wir könnten uns also fragen, ob das Weltraumteleskop heute entworfen werden würde, ob es einen elektrischen Antrieb für die Positionserhaltung verwenden würde oder nicht.

Dass die Halo-Umlaufbahn des Weltraumteleskops exponentiell instabil ist und wenn einige der zweimonatlichen Stationshaltemanöver aus irgendeinem Grund verpasst werden, kann es für einen niedrigen Schub immer schwieriger werden, es wieder auf die Station zu bringen.

Sobald die Beschleunigung weg von der Halo-Umlaufbahn entlang des instabilen Verteilers die Beschleunigung übersteigt, die von elektrischen Triebwerken bereitgestellt wird (die immer verdammt klein ist), ist alles verloren und es wird sich spiralförmig in Richtung einer heliozentrischen Umlaufbahn ausbreiten.

Es gibt keine Analogie zu dieser exponentiellen Instabilität bei der Stationshaltung von Kommunikationssatelliten in GEO. Diese sind sehr gut gravitativ an die Erde gebunden und wandern nicht in eine heliozentrische Umlaufbahn, wenn sie unbeaufsichtigt bleiben.

Aber warten Sie, es gibt noch mehr (Gewicht)! (möglicherweise)

Die Frage geht davon aus, dass das Gewicht des Ionenantriebstreibstoffs geringer ist als das von herkömmlichen Triebwerkstreibstoffen, aber Ionentriebwerke haben schwere Magnete und Stromversorgungen, um das Plasma zu erzeugen.

Es ist sehr gut möglich, dass, sobald das vollelektrische Antriebssystem entworfen und gewogen ist, eines stark genug ist, um JWST in seine Halo-Umlaufbahn zurückzubringen, wenn ein paar zweimonatliche Iterationen der Stationshaltung verpasst werden, dass es am Ende nicht leichter wird.

@OrganicMarble, aber ich habe vergessen, den Strombedarf zu erwähnen , der sich tatsächlich als der letzte Nagel im Sarg des Elektroantriebs herausstellen könnte. Hoffentlich fragt das OP (oder jemand) das hier erwähnte Follow-up , und dann kann jemand seinen kugelförmigen Kuhumschlagrücken herausholen und das Problem halbquantitativ bearbeiten. Ich wette, dass die Sonnenkollektoren viel größer sein müssen und vielleicht auch mehr solaren Photonendruck beitragen, was eine schlechte oder gute Sache sein könnte, wenn man bedenkt, wie es diesen Schub als Teil der Stationshaltung nutzt.
„Es ist sehr gut möglich, dass, sobald das vollelektrische Antriebssystem entworfen und gewogen ist, eines, das stark genug ist, um JWST in seine Halo-Umlaufbahn zurückzubringen, wenn ein paar zweimonatliche Iterationen der Stationshaltung verpasst werden, am Ende nicht leichter wird.“ - Vielleicht nicht leichter , aber immer noch viel länger haltbar .
@Vikki guter Punkt! Ja, ich habe mir dort in den Fuß geschossen; Ich habe versucht, vorsichtig zu sein und nicht direkt "viel schwerer als" zu sagen.
Der traditionelle Design-, Entwicklungs- und Implementierungsprozess von Raumfahrzeugen folgt dem ziemlich veralteten Wasserfallmodell, das nicht annähernd agil ist. Die Entwicklung von Raumfahrzeugen könnte viel agiler sein, aber das würde massive Änderungen in der Art und Weise erfordern, wie NASA und ESA Geschäfte machen.
Ich verstehe die Relevanz dieser Diskussionen nicht: Warum nicht länger halten, warum nicht leichter machen, ...? Es gibt bereits so viele „Premieren“ (und dementsprechend Schwachstellen) in den wissenschaftlichen Instrumenten und Plattformelementen von JWST (z. B. dem Sonnenschild). Die Missionslebensdauer wird durch diese Risiken eingeschränkt. Die Technologie und Dimensionierung des Treibstoffs und des Triebwerks sind in jeder Hinsicht unkritisch. Es ist überhaupt nicht wie bei einem herkömmlichen GEO-Satelliten, bei dem die Treibmittelmasse fast die Hälfte der Nassmasse des Satelliten beim Start beträgt, und daher ist EP bahnbrechend.
@NgPh hier ist meine Vermutung; für Leute, die sich stark für "Warum nicht länger halten" interessieren? Ich denke, sie blicken auf Hubbles 30-jährige unglaubliche Beiträge zurück, und was in diesen Jahrzehnten gelernt wurde, machte es für nachfolgende Beobachtungen noch unverzichtbarer; sein Wert steigt mit der Zeit. Da das neue Weltraumteleskop einen völlig anderen Wellenlängenbereich abdeckt, erwarten sie dasselbe. Es ist nur schwer vorstellbar, dass ein 10.000.000.000-Dollar-Teleskop in nur 1/3 der Zeit, die Hubble bisher gelebt hat, aus Mangel an etwa 200 kg Treibstoff sterben und weggeworfen werden wird !
@NgPh für viele mag es sich anfühlen, als würde man einen teuren Laptop mit einem leistungsstarken, aber nicht wiederaufladbaren, nicht austauschbaren Akku und ohne Netzkabel kaufen. Wenn der Akku leer ist, bleibt Ihnen nichts anderes übrig, als das ganze Ding in den Müll zu werfen.
@uhoh, nicht, wenn der Akku des Laptops so ausgelegt ist, dass er die erwartete Lebensdauer des Displays und / oder der Tastatur um den Faktor zwei überdauert, und dies mit Rand . Gute Ingenieure optimieren dort, wo es entscheidend ist, und nicht dort, wo sie glauben, eine scheinbar bessere Lösung zu haben. Übrigens, wie oft in 30 Jahren wurde das Hubble repariert? Unter Lebensgefahr?
Ich versuche nur anzusprechen, warum manche Leute es für relevant halten, und nicht auf den Punkt zu argumentieren. Aber wenn ich es wäre, würde ich sagen, dass, wenn alles gut läuft, es wie die meisten NASA-Missionen am Ende viel länger dauern wird als seine erwartete Mindestlebensdauer. Aber zitieren Sie mich nicht dazu.
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