Phil Plaits Bad Astronomy’s Fly Me to the Moon and Then to a Near-Earth Asteroid beschreibt Near Earth Asteroid Scout (NEA Scout, oder einfach nur Scout), einen 6U Cubesat, der von Artemis irgendwo im cis-Mondraum eingesetzt wird und ein Sonnensegel einsetzt , segeln Sie dann zu einem erdnahen Asteroiden:
Lassen Sie sich nicht von der Größe täuschen. Es verwendet vier teleskopierbare Aluminiumstangen, die sich auf eine Länge von 6,8 Metern erstrecken (die Höhe eines zweistöckigen Hauses), die ein Sonnensegel aus einer Art schickem Kunststoff (aluminisiertes Polyimid) entfalten, das extrem leicht ist, weil es nur eine Betäubung ist 2,5 Mikrometer dick. Zum Vergleich: Ein typisches menschliches Haar ist 100 Mikrometer dick. Also, wow.
Einmal ausgefahren, nutzt das Segel das Sonnenlicht als Antrieb. Photonen haben zwar keine Masse, aber einen Impuls. Wenn sie also auf das Segel treffen, geben sie ihm einen Tritt. Deshalb ist das Segel so dünn, aber groß ( 85 Quadratmeter ) und das Raumschiff klein und leicht; Je geringer die Masse, desto höher die Beschleunigung. Obwohl die Beschleunigung unglaublich gering ist, ist sie kontinuierlich. Das summiert sich, so dass Sie, obwohl Sie sich anfangs nicht schnell bewegen, über Wochen und Monate eine ziemliche Geschwindigkeit aufbauen können.
Das Asteroidenziel ist noch nicht festgelegt, da das Startdatum nicht sicher ist und sich alles im Weltraum bewegt. Nach dem Start wird es in eine Umlaufbahn um die Sonne gebracht (eine sogenannte heliozentrische Umlaufbahn). Danach wird sich Scout mit einem Kaltgasstrahlruder positionieren, das Segel ausrollen und dann geht es los.
Der Cubesat wird sowohl ein großes Sonnensegel als auch Solarpanels haben. Es wird auch ein Lagebestimmungs- und Kontrollsystem für den Transit und die Implementierung seiner Asteroiden-Erfassungs-, Annäherungs- und Beobachtungssequenzen benötigen, wenn es daran vorbeifliegt.
Die Struktur des Sonnensegels wird eine geringe Masse haben und daher etwas empfindlich sein und auch einer Anregung in Schwingungsmoden unterliegen, die während der Beobachtungsphase ein Problem darstellen könnten.
Reaktionsräder können die Lage sanft und reibungslos ändern, benötigen jedoch normalerweise eine Art Impulsentlastungsschema.
Frage: Wie wird NEA Scout seine Lage während eines Weltraumflugs kontrollieren und seine Kamera ruhig halten, ohne Vibrationen zu verursachen oder sein 85 Quadratmeter großes Sonnensegel zu beschädigen?
Der NEA Scout enthält mehrere Elemente, die darauf abzielen, die Einstellung zu kontrollieren:
Das letzte, das AMT, ist ein ziemlich cooles Konzept. Hätte die NASA den Nicht-Array- / Nicht-Segel-Teil des Fahrzeugs starr konstruiert, wäre die Wirkung der Kraft im Druckmittelpunkt der Sonnenstrahlung oft nicht mit dem Massenmittelpunkt übereinstimmt. Dadurch würde am Fahrzeug ein Drehmoment entstehen, gegen das die Reaktionsräder ankämpfen müssten. Dies wiederum hätte zu einer Reaktionsradsättigung geführt, mit der das Kaltgassystem zu kämpfen hätte.
Die NASA hat das Fahrzeug stattdessen so konstruiert, dass ein guter Teil (40 % der Fahrzeugmasse) sich selbst ziehen kann, um sich sowohl in X- als auch in Y-Richtung von einer Seite zur anderen zu bewegen. (Die Z-Achse „oben und unten“ verläuft senkrecht zum Segelflugzeug.) Dies bedeutet, dass sich das Fahrzeug so trimmen kann, dass die Linie vom Zentrum des Sonnenstrahlungsdrucks zum Massenmittelpunkt nahezu parallel zu dem liegt Kraftvektor der Sonnenstrahlung.
Wie wird NEA Scout seine Lage während eines Weltraumflugs kontrollieren und seine Kamera ruhig halten, ohne Vibrationen zu verursachen oder sein 85 Quadratmeter großes Sonnensegel zu beschädigen?
Der NEA Scout muss sich nur für kurze Momente ziemlich ruhig halten. Dies ist zwar eine Spekulation meinerseits, aber es ist ein weit verbreitetes Konzept, bei dem eine sehr feine Steuerung erforderlich ist: Deaktivieren Sie vorübergehend alle Einstellungssteuerungen, die eine instabile Drehbewegung verursachen könnten. Dazu gehört sicherlich das Kaltgas-Reaktionskontrollsystem und wahrscheinlich auch die AMT-Traktoren.
Das für den Impulsabbau verwendete Kaltgas-Reaktionssteuersystem stellt Herausforderungen im Hinblick auf mögliche Schäden am Fahrzeug dar. Dass die Truster eine minimale Einschaltzeit und eine minimale Ausschaltzeit von einer Zehntelsekunde haben, hat das Potenzial für aufregende Sonnensegel-Flexmodi. Flex-Mode-Anregung ist etwas, das in jedem Raumfahrzeug vermieden werden sollte. (Die Erregung im Flexmodus sollte auch bei Brücken vermieden werden. Einige Beispiele sind die Tacoma Narrows Bridge, die bekanntermaßen durch Winde auseinandergerissen wurde , und die Broughton Suspension Bridgediese Truppen rissen auseinander, indem sie beim Überqueren im Rhythmus marschierten. Jeder Statiker für Raumfahrzeuge muss über die Tacoma Narrows Bridge und die Broughton Suspension Bridge Bescheid wissen. Die NASA behauptet, Probleme mit der Biegeanregung in Bezug auf NEA Scout analysiert und angegangen zu haben.
Verweise:
Near Earth Asteroid Scout
Flex Dynamics Avoidance Control of the NEA Scout Solar Sail Spacecraft’s Reaction Control System
Solar Sail Attitude Control System for the NASA Near Earth Asteroid Scout Mission
Solar Torque Management for the Near Earth Asteroid (NEA) Scout CubeSat Using Center of Mass Position Kontrolle
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