Könnte JWST „für immer“ bei L2 bleiben?

Laut Wikipedia liegen die Delta-V-Anforderungen, um bei L1 oder L2 zu bleiben, bei etwa 30-100 m/s pro Jahr. Das erscheint recht hoch, liegt aber eher bei 5-16 m/s. Der Sonnenschutz hat eine Fläche von ca. 300 m^2. Der mögliche Schub beträgt etwa 0,00279664 N, wenn man von einer reinen Reflexion ausgeht. Die Masse des JWST beträgt etwa 6200 kg. Zusammengenommen beträgt die mögliche Beschleunigung etwa 14 m/s pro Jahr, nicht ganz genug, um die Station zu halten. Dies setzt auch vollständig reflektierende Sonnenblenden voraus und ist direkt auf die Sonne gerichtet. Ich bin mir nicht sicher, welche tatsächliche Schubrichtung erforderlich wäre, um es auf L2 zu halten, aber es wäre wahrscheinlich nicht geradeaus, was dies weiter reduziert.

Unterm Strich könnte es funktionieren, aber es würde eine sehr sorgfältige Platzierung des Schildes erfordern, um die richtige Ausrichtung beizubehalten.

BEARBEITEN: Nach einigen neuen Informationen stellt sich heraus, dass meine Quelle in Bezug auf die Größe SEHR irreführend war, diese Abmessungen waren eher rautenförmige Abmessungen und kein Rechteck, was sehr seltsam ist. Dieses Papierhat einige interessante Informationen, die zeigen, dass die Fläche tatsächlich näher an 160 m ^ 2 liegt, wobei eine Station ein Budget von höchstens 2,25 m / s pro Jahr einhält, wenn man alles berücksichtigt. Das heißt, es wäre durchaus möglich, zu erreichen. Eine der größten Unsicherheitsquellen ist die Bewegung des Sonnenschilds selbst. Wenn dies kontrolliert würde, könnte es wahrscheinlich tatsächlich erheblich reduziert werden. Die tatsächliche Fähigkeit, die Position zu halten, liegt näher bei 6,7 m/s. Angesichts von Quellen, die sagen, dass zwischen 5 und 16 m / s typische Werte für die Positionserhaltung sind, scheint es wahrscheinlich, dass JWST zumindest bis zu einem gewissen Grad vom Sonnenlicht kontrolliert wird, obwohl dies ohne komplexe Analyse SEHR schwierig zu sagen ist.

Diese Arbeit von Heiligers et al. Erkundet Umlaufbahnen von Erde-Mond-Librationspunkten mit dem Zusatz von Sonnensegel-Schüben. Obwohl es natürlich nicht direkt auf Sonne-Erde L2 (JWST) übertragbar ist, ist die Dynamik der Librationspunktumlaufbahnen in beiden Systemen zumindest vergleichbar. Die Studie zeigt, dass für einige Umlaufbahnen (Mond-L2-Halo ist eine davon) eine Erhöhung der Stabilität erreicht werden kann.

JWST ist jedoch kein typisches Sonnensegel-Raumschiff. Diese haben ein viel höheres Flächen-Masse-Verhältnis und erzeugen mehr Beschleunigung, zusammen mit einer geringeren Masse (ich nehme auch eine geringere Trägheit an), was bedeutet, dass sie ihre Segel viel effektiver steuern können.

Ich würde davon ausgehen, dass die Schlussfolgerungen aus dem Papier auch auf das JWST angewendet werden können, aber die Auswirkungen auf die Stabilität werden wahrscheinlich viel geringer sein als im Fall eines normalen Sonnensegel-Raumfahrzeugs.

tl;dr: Ich denke, es könnte Platz dafür geben. Ich glaube jedoch nicht, dass eine abschließende Antwort durch Analysen der Größenordnungen auf Umschlagrückseiten gegeben werden kann. Eine wirkliche Antwort würde sich nur aus noch detaillierteren Monte-Carlo-Berechnungen ergeben, als sie bereits in Stationkeeping Monte Carlo Simulation for the James Webb Space Telescope skizziert wurden . Klingt nach einem lustigen Projekt!

Betrachten wir dies systematisch anhand gut belegter Fakten.

Schub durch Photonendruck auf Sonnenschutz

Der Impuls eines Photons$p$ist nur seine Energie geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit$E/c=h\nu/c$, also die Kraft, die zur perfekten Absorption von Photonen führt

Wo$P$ist die Gesamtleistung des auf den Absorber auftreffenden Lichts, beispielsweise in Einheiten von Watt, und$A$ist die Fläche des einfallenden Lichtfeldes , die den Absorber schneidet.

Da das Segel eher reflektiert als absorbiert, gibt es einen zweiten Strahl reflektierten Lichts und eine zweite Kraft, und diese hat eine Richtung, die auf der Ausrichtung des Spiegels basiert. Schauen wir uns aber erst einmal die Größenordnungen an.

Wikipedia gibt die Form des rautenförmigen Sonnenschutzes mit etwa 21 mal 14 Metern (die Diagonalen) an. Das wird eine Fläche haben, die dem halben Produkt der Diagonalen oder 147 m² entspricht, was gut mit der Stationkeeping-Monte-Carlo-Simulation für das James-Webb-Weltraumteleskop übereinstimmt .

Wie in Abbildung 6 gezeigt, kann die effektive Fläche des Sonnenschutzes in Richtung der Sonne zwischen 105 und 163 m² variieren, dem Bereich der zulässigen Einstellungen des Raumfahrzeugs, die verhindern, dass das Teleskop Streulicht ausgesetzt wird.

Die Sonnenkonstante beträgt etwa 1360 W/m^2 bei 1 AE, aber die L2-Fläche ist 1 % weiter entfernt, also verwenden wir sie

zu bekommen

Beschleunigung ist Kraft/Masse. Mit 6500 kg aus Wikipedia :

Ein Jahr hat ungefähr 31,6 Millionen Sekunden, also sind 6,3 m/s Delta-v pro Jahr in der +z-Richtung verfügbar, wenn der Schatten größtenteils zurück zur Sonne zeigt, und etwas weniger, wenn eine leichte Neigung verwendet wird, wenn die senkrechte Beschleunigung erfolgt erforderlich.

Das bekannte Stationserhaltungsbudget von JWST

Die Stationkeeping-Monte-Carlo-Simulation für das James-Webb-Weltraumteleskop sagt uns:

Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass das SK-Delta-V-Budget für eine 10,5-jährige Mission 25,5 m/s oder 2,43 m/s pro Jahr beträgt. Dieses SK-Budget ist höher als das typische LPO-SK-Budget von etwa 1 m/s pro Jahr, aber JWST stellt Herausforderungen dar, denen andere LPO-Missionen nicht gegenüberstehen. Die Endof-Box-Analyse war für die JWST-Mission von entscheidender Bedeutung, da sie einen realistischen Wert für das SK-Delta-V-Budget lieferte, als es erforderlich war, um ein vollständiges Massenbudget des Raumfahrzeugs festzulegen.

Das Segel liefert also mehr als die doppelte Größe des stationären Delta-V.

SOHO ist ein Beispiel für ein Raumschiff in einer Halo-Umlaufbahn (um L1) und verwendet laut Roberts 2002 (aus Is this what stationkeeping manöver aussehen, oder sind es nur Datenfehler? (SOHO via Horizons) ) eine stationkeeping-Strategie von nur in z-Richtung (zur Sonne hin oder von ihr weg) schieben. Die Stationkeeping-Monte-Carlo-Simulation für das James-Webb-Weltraumteleskop sagt uns jedoch :

In der LPO-Dynamik ist bekannt, dass die xy-Ebene die stabile und die instabile Richtung enthält, während die z-Richtung neutral stabil ist. Da JWST nicht in der Nähe einer Referenzbahn bleiben muss, besteht während SK-Manövern keine Notwendigkeit, in z-Richtung zu schieben, und der Schubvektor wird so gewählt, dass er in der xy-Ebene liegt.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir in unserem Überlebens-Wartemuster ohne Teleskopmodus auch den Positionshalte-(SK)-Schubvektor in der senkrechten xy-Ebene benötigen würden, und ich schlage vor, dass man im Überlebensmodus eine Kombination aus verwenden könnte Die Modulation der z-Komponente und das Hinzufügen der xy-Komponente durch Neigen und Winkeln der Sonnenblende innerhalb ihrer sicheren Grenzen wird genügend Delta-V und Flexibilität in ihrer Richtung liefern, um die Positionshaltung durchzuführen.

Schlussfolgerungen

• JWST wird aufgrund des konstanten Photonendrucks des Sonnenlichts, das von seiner Sonnenblende zurückreflektiert wird, ein stetiges Delta-v von etwa 6 m/s pro Jahr erfahren.
• Während dies natürlich bereits in seine Umlaufbahn eingerechnet ist, führt dies meistens zu einer Halo-Umlaufbahn knapp vor (sonnenzugewandt) der Halo-Umlaufbahn um L1, die ohne die Auswirkungen des Photonendrucks berechnet wird. Hier liegt "geringfügig vor" wahrscheinlich nur in der Größenordnung von einigen Kilometern oder nur zig Kilometern.
• Aggressives Neigen der Sonnenblende innerhalb sicherer Grenzen kann sowohl die +z-Beschleunigung modulieren als auch eine Komponente in der xy-Ebene hinzufügen
• Das Drehen des Raumfahrzeugs um die +z-Achse der Umlaufbahn in dem rotierenden Rahmen mit einer geneigten Sonnenblende wird die Schubkomponente in die xy-Ebene lenken, obwohl dies wahrscheinlich nicht ausreicht, um die vollen 2,4 m / s pro Jahr auszugleichen, die derzeit vom Antrieb erhalten werden Manöver alle 21 Tage.

Impulsentladung

Ich habe nicht allzu viel darüber gelesen, wie man die Impulsentladung der Schwungräder von JWST nur mit Solarphotonendruck durchführt. Die Räder werden nicht nur benötigt, um die Fluglage beizubehalten, sondern auch um regelmäßige Neigungen und Drehungen auszuführen, die erforderlich sind, um den Photonendruck für die Positionshaltung zu lenken.

Sobald sich das Raumfahrzeug ein wenig neigt, enthält das Zentrum des resultierenden Photonendrucks nicht mehr das Massenzentrum des Raumfahrzeugs, sodass zumindest ein gewisses Drehmoment vorhanden ist, mit dem gearbeitet werden kann .

Es ist möglich, dass diese Haltungsmanöver paarweise drehimpulsneutral ausgelegt werden können, so dass sie sich naturgemäß in Bezug auf Rotationen der Räder über die Zeit aufheben.

Meinung

Ich denke, es könnte Raum dafür geben. Ich glaube jedoch nicht, dass eine abschließende Antwort durch Analysen der Größenordnungen auf Umschlagrückseiten gegeben werden kann. Eine wirkliche Antwort würde sich nur aus noch detaillierteren Monte-Carlo-Berechnungen ergeben, als sie bereits in Stationkeeping Monte Carlo Simulation for the James Webb Space Telescope skizziert wurden . Klingt nach einem lustigen Projekt!

Die kurze Antwort ist nein. Lagrange-Punkte sind topologisch Sattelpunkte . Sie sind nur quasistabil, aber nicht wirklich stabil. Der Sonnenstrahlungsdruck reicht aus, um im Laufe eines Jahres eine Nutation und Präzession der Drehachse des Wind- Raumfahrzeugs zu verursachen (bildet eine Ellipse auf einem Polardiagramm mit einem Durchmesser von etwa 1 Grad). Diese Kraft allein würde jedes Raumschiff irgendwann von seinem Platz stoßen, also nein, es konnte nicht auf unbestimmte Zeit bleiben.

Es gibt auch Störungen in Gravitationsfeldern, die ein Raumschiff über lange Zeiträume auch von jedem quasi-stabilen Sattelpunkt wegstoßen würden.

Es gibt auch Staub aus dem interplanetaren und interstellaren Raum, der mit Überschallgeschwindigkeit auf Raumfahrzeuge auftrifft und kleine Plasmafahnen verursacht . Der Staub aus dem interstellaren Raum hat eine bevorzugte Richtung und würde daher jedes Raumschiff langsam von einem quasi stabilen Sattelpunkt abstoßen.

Wie auch immer, könnte dies eine praktische Möglichkeit sein, JWST für sagen wir 2 Jahre auf "Pause" zu setzen, ohne Treibstoff zu verbrennen/Masse auszustoßen, um seine Umlaufbahn um L2 zu halten?

Selbst bei einem sich drehenden Raumschiff beginnt die Umlaufbahn nach etwa einem Monat exponentiell abzufallen. Wind führt nur vier Stationshaltemanöver pro Jahr durch und jedes kostet nur ~4-10 cm/s Kraftstoff (entspricht etwa 0,1 kg oder weniger). Im Vergleich dazu führt der ACE etwa alle zwei Wochen Manöver durch. Der Unterschied besteht darin, dass ACE ein sonnengerichteter Spinner und Wind ein ekliptischer Spinner ist. ACE muss in eine bestimmte Richtung zeigen, um mit der Erde zu kommunizieren und weil eines seiner Plasmainstrumente ausfällt (daher haben sie die Drehachse ein wenig geneigt, um sich stärker auf die weniger beschädigten Anoden zu verlassen).

Man könnte im Prinzip einfach 9 Monate warten und den Wind um den Punkt Erde-Sonne L1 wieder einsetzen , aber je länger man wartet, desto teurer wird es (kraftstofftechnisch). Wenn wir 2 Jahre warten würden, würde Wind (oder jedes andere Raumschiff, das den Lagrange-Punkt umkreist) genau wie die Erde in einer heliozentrischen Umlaufbahn um die Sonne sein. Wenn sich das Raumschiff bei L1 (L2) befände, würde das Raumschiff die Sonne schneller (langsamer) umkreisen als die Erde. Genau das macht die STEREO .

Also nein, wenn JWST 2 Jahre lang keinen Treibstoff verbraucht hätte, wäre es in einer heliozentrischen Umlaufbahn um die Sonne.

Fun Side Note: Das JWST-Flugbetriebsteam hat eine neue Reihe von Schuboptionen entwickelt, um zu versuchen, Treibstoff zu sparen, und Anfang 2014 präsentierten sie mir und dem Wind- Team ihre Idee. Sie wollen Wind als Testlauf nutzen, um zu sehen, ob die Thruster-Manöver nicht nur funktionieren, sondern auch Treibstoff sparen würden.

Der alte Weg bestand darin, nur dann zu schieben, wenn sich das Raumschiff auf der Erde-Sonne-Linie befand, und die Stöße würden mit der Erde-Sonne-Linie ausgerichtet (na ja, so nah wie möglich). Der Grund dafür ist, dass Sie weder auf Ihre Umlaufbahn um den Lagrange-Punkt noch auf Ihre Umlaufbahn um die Sonne ein Drehmoment ausüben möchten. Die Idee des JWST-Teams war es, die Erde-Sonne-Linie in einem Winkel zur Erde-Sonne-Linie abzustoßen. Also wies ich darauf hin, dass dies Drehmomente in das System einbringen würde, und ich war besorgt. Sie gingen und veröffentlichten ein Papier über doi: 10.2514/6.2014-4304 . Es stellte sich heraus, dass die Drehmomente minimal und nicht kritisch waren, da die Manöver nur wenige bis einige 10 s cm/s verbrauchen, also machten wir weiter. Es reduzierte unsere typischen Treibstoffkosten pro Manöver um ~5-10%.

Ich finde das immer noch ein bisschen komisch, denn zu der Zeit hatte Wind noch über 120 Jahre Treibstoff übrig ...