Informace o kosmické lodi – MAVEN

Informace o kosmické lodi

Sondu Maven postavila společnost Lockheed Martin s využitím zděděných komponentů a technik, které létají na sondách Mars Reconnaissance Orbiter a Juno, které rovněž postavila společnost LM. MAVEN se skládá z krychlové platformy, na níž je umístěna většina systémů sondy a užitečného zatížení, z nichž některé jsou namontovány na výsuvných přístrojových ráhnech. K hlavní platformě jsou rovněž připojeny dva rozmístitelné solární panely, které rovněž hostí vědecké přístroje.

Kubická družicová platforma má rozměry 2,3 × 2,3 × 2 metry a skládá se z hliníkové voštiny vložené mezi grafitové kompozitní čelní desky. Jádrem konstrukce je válec o průměru 1,3 metru, který uzavírá palivovou nádrž kosmické lodi.

Radiálně na válec jsou namontovány kompozitní listy, které jsou připevněny pomocí kovových kování. Válec, radiální plechy a vnější panely slouží jako montážní plošiny pro vybavení kosmické lodi a slouží jako nosná konstrukce.

Primární konstrukce má hmotnost 125 kilogramů a je schopna unést celou hmotnost kosmické lodi a zatížení vzniklá během startu. MAVEN má suchou hmotnost 809 kilogramů.

Celkově je MAVEN vysoký 3,47 metru, široký 2,29 metru a dlouhý 11,43 metru s nasazenými dvěma velkými solárními panely. Při startu váží 2 454 kilogramů.

Ve velké nádrži na pohonné látky umístěné uvnitř centrálního tubusu je uložena celá zásoba hydrazinu pro misi MAVEN. Vyrobila ji kalifornská společnost ATK Aerospace Group, je vysoká 1,83 metru a je schopna pojmout 1640 kilogramů hydrazinového monopaliva pro použití v pohonném systému vozidla.

Pohonný systém Mavenu vychází ze systému vyvinutého pro sondu Mars Reconnaissance Orbiter. Pohonný systém vyrobený společností Aerojet využívá celkem 20 trysek, které jsou rozděleny do tří skupin – banka šesti hlavních pohonných trysek, šest motorů středního tahu a osm trysek pro řízení polohy. Všechny motory jsou katalytické a využívají hydrazinové monopalivo.

MAVEN je vybaven celkem šesti tryskami MR-107N instalovanými na základně kosmické lodi. Každý z těchto motorů poskytuje nominální tah 170 newtonů s možností škrcení od 109 do 296 newtonů. Při nominálním tahu šesti motorů má MAVEN celkový tah 1 020 newtonů – 104 kilogramů síly.

MR-107N pracuje s přívodním tlakem pohonné hmoty 8,2 až 27,8 barů a tlakem v komoře 4,2 až 11,2 barů, čímž vytváří specifický impuls 229 až 232 sekund. Motor spotřebuje 49 až 131 gramů paliva za sekundu v závislosti na nastavení tahu. Jeho expanzní poměr je 20,7. MR-107N váží 740 gramů, měří 22 cm na délku a 6,6 cm v průměru. Používá jednosedlový ventil Moog. Motor je certifikován pro téměř 1 500 pracovních cyklů.

Hlavní pohonný systém používá kosmická sonda MAVEN pro svůj první velký manévr korekce trajektorie a klíčový manévr navedení na oběžnou dráhu Marsu, jakož i pro všechny další velké manévry vyžadující velký delta-v. Pohonný systém sondy MAVEN pracuje v regulovaném režimu pro zážehy hlavních motorů a v režimu vyfukování pro manévry v poloze pomocí menších trysek. Pro tlakování nádrží se používá helium.

Kromě hlavního pohonného systému je MAVEN vybaven šesti tryskami MR-106E, které se používají pro menší korekce trajektorie, manévry pro úpravu dráhy a k zajištění řízení polohy během zážehů hlavních motorů, jako je například zaváděcí manévr.

MR-106E poskytuje tah 22 newtonů s provozním rozsahem 11,6 až 30,7 newtonů, přičemž pracuje při přívodním tlaku 6,9 až 24,1 barů a tlaku v komoře 4,5 až 12,4 barů.

Trulátor poskytuje specifický impuls 229 až 235 sekund. Má expanzní poměr 60 a spotřebuje 5,0 až 13,1 gramu pohonné hmoty za sekundu. MR-106E váží 635 gramů, jeho délka je 18,2 centimetru a průměr trysky 3,4 centimetru. Tryska 22N používá vrtulový ventil Dual Seat. Je certifikován pro více než 50 000 pracovních cyklů a dlouhé zážehy až 2 000 sekund, stejně jako pro kumulativní dobu hoření 4 670 sekund.

Pro menší manévry řízení polohy je MAVEN vybaven osmi tryskami MR-103D, z nichž každá poskytuje nízký tah 1 newton s provozním rozsahem 0,22 až 1,02 newtonu. MR-103D pracuje při přívodním tlaku pohonné hmoty 6,2 až 27,6 barů a tlaku v komoře 5,9 až 23,4 barů, protože motor používá 0,09 až 0,5 gramů hydrazinu za sekundu.

Motor má expanzní poměr 100, přičemž je dlouhý 14,6 centimetrů, jeho hmotnost je 330 gramů a průměr 3,4 centimetrů. U tohoto motoru je také použit dvousedlový ventil, který poskytuje specifický impuls 209 až 224 sekund. MR-103D je certifikován pro 275 000 pracovních cyklů a kumulativní dobu hoření 111 hodin spolu s certifikací pro jeden zážeh v délce 5 000 sekund.

Navigace a řízení polohy

MAVEN je vybaven redundantním systémem slunečních senzorů, který slouží k výpočtu polohy Slunce pro nasměrování solárních panelů vozidla ke Slunci v případě bezpečného režimu vozidla, aby byla zachována stabilní výroba energie.

Dva hvězdné trackery poskytují přesné navigační a orientační údaje palubnímu počítači MAVEN. Údaje ze sledovačů hvězd se používají pro přesné nasměrování k Zemi pro komunikaci, ke Slunci pro nabíjení baterií a k Marsu pro vědecké operace. Hvězdné sledovače poskytují deset snímků za sekundu, které jsou následně porovnávány s katalogem tisíců hvězd pro určení orientace vozidla v prostoru.

Na kosmické lodi je také instalován redundantní systém dvou inerciálních měřicích jednotek. Každá jednotka se skládá ze tří prstencových gyroskopů a tří akcelerometrů – jeden gyroskop a jeden akcelerometr pro každou měřenou osu. IMU slouží k přesnému určení zrychlení na vozidle během zážehů motorů a rychlosti vozidla při změnách polohy, což zajišťuje možnost přesného nasměrování. Údaje z akcelerometru mohou být také použity k měření hustoty atmosféry v horní části marsovské atmosféry, protože se v ní projevují síly odporu vzduchu.

Navigační údaje poskytované doplňkem senzorů využívá letový počítač vozidla k ovládání systému řízení polohy vozidla. Pro větší polohové manévry využívá MAVEN své malé 1newtonové trysky, zatímco standardní řízení směru a polohy vozidla je prováděno čtyřmi reakčními koly – třemi pro každou rotační osu a jedním rezervním.

Kola jsou roztáčena elektromotory s proměnnou rychlostí, která se mění při provádění polohových manévrů. Každá sestava Reaction Wheel váží 10 kilogramů a kola se otáčejí rychlostí až 6 000 otáček za minutu. Trysky se používají pro periodickou desaturaci úhlového momentu – zpomalení reakčních kol a vyrovnání výsledné síly pomocí trysek, takže kola pak mohou být urychlena při standardních polohových operacích.

Letecký počítač & Datový systém

MAVEN je vybaven centrální procesorovou deskou RAD-750, což je jednokartový počítač vyráběný společností BAE Systems v Manassas, Va. Procesor snese dávky záření, které jsou milionkrát extrémnější než ty, které jsou považovány za smrtelné pro člověka. Samotný procesor RAD750 snese 200 000 až 1 000 000 radů. Také RAD750 neutrpí více než jednu událost vyžadující zásah ze Země v průběhu 15 let.
„Karta RAD750 je navržena tak, aby všechny tyto jednorázové události zvládla a přežila. Konečným cílem je, aby bylo povoleno jedno narušení za 15 let. Rozrušení znamená zásah ze Země – jednu ‚modrou obrazovku smrti‘ za 15 let. Obvykle máme smlouvy, které to (specifikují),“ řekl Vic Scuderi, obchodní manažer BAE.

Karta RAD-750 byla uvedena na trh v roce 2001 a poprvé odstartovala v roce 2005 na palubě kosmické lodi Deep Impact. Procesor má 10,4 milionu tranzistorů. Procesory RAD750 pracují na frekvenci až 200 megahertzů a zpracovávají data rychlostí 400 MIPS. Procesor má vyrovnávací paměť L1 o velikosti 2 x 32 kB (instrukce + data) – pro zvýšení výkonu lze v závislosti na požadavcích mise implementovat více modulů vyrovnávací paměti L2 o velikosti 1 MB.

RAD750 pracuje při teplotách -55 °C až 125 °C se spotřebou energie 10 wattů. Standardní systém RAD750 snese 100 000rad.

Systém pro zpracování dat přijímá data z užitečného zatížení a může odesílat příkazy užitečnému zatížení jako součást uložených operačních sekvencí. Data z navigačních senzorů jsou rovněž zpracovávána systémy pro zpracování dat, které následně dávají povely systému řízení polohy a pohonným systémům vozidla. Údržbové operace, jako je vydávání povelů ohřívačům na základě údajů z teplotních čidel a řízení spotřeby energie, rovněž provádí počítačový systém.
Plášť hromadné paměti přímo komunikuje s telekomunikačním systémem kosmické lodi pro přenos dat dolů a příkazů nahoru.

Komunikační systém

Komunikační systém sondy MAVEN je vybaven komunikačním systémem s vysokým ziskem i systémem s nízkým ziskem.
Vysokozisková anténa sondy MAVEN je upevněna na ose +Z sondy a nelze s ní pohybovat tak, aby sama sledovala Zemi. Anténa je anténa o průměru 2,1 metru s dvoupásmovým reflektorovým systémem pro pásmo X, který umožňuje dosáhnout rychlosti datového přenosu směrem dolů až 550 kb/s. Je vyrobena z kevlarového voštinového jádra mezi dvěma kompozitními čelními listy. HGA je vybavena elektronkovými zesilovači s putujícími vlnami, které generují silný signál, který mohou zachytit stanice Deep Space Network na Zemi.

Protože je anténa s vysokým ziskem upevněna na kosmické lodi, musí se celá kosmická loď MAVEN přemístit, aby mohla anténu nasměrovat na Zemi při pravidelných komunikačních relacích, které by měly trvat pět hodin, a to dvakrát týdně, kdy má vozidlo přestávku od vědeckých operací.

Systém s nízkým ziskem nevyžaduje žádné změny polohy, protože dvě antény s nízkým ziskem na sondě MAVEN dosahují všesměrového pokrytí při velmi nízkých rychlostech přenosu dat. Systém s nízkým ziskem lze použít k povelům pro uplink a downlink telemetrie s nízkou rychlostí přenosu dat, jako jsou například tóny, které se používají při uvádění na oběžnou dráhu Marsu.

Komunikační terminál Electra UHF

Kromě komunikačního systému v pásmu X pro vysílání signálů na Zemi a příjem signálů z domova je sonda MAVEN vybavena komunikačním terminálem Electra UHF. Systém Electra byl použit při řadě předchozích misí na Marsu a stal se standardním systémem používaným k přenosu dat z marsovských roverů.

Terminál Electra se skládá ze dvou řetězových vysílačů UHF, dvou řetězových ultrastabilních oscilátorů pro přesnou navigaci a určování polohy na povrchu a antény UHF s nízkým ziskem směřující nadir. EUT (Electra UHF Transceiver) je jádrem užitečného zatížení.

Jedná se o plně rekonfigurovatelný, frekvenčně agilní transceiver, který pracuje ve frekvenčním rozsahu 390 až 450 MHz. EUT se skládá ze čtyř na sebe naskládaných platforem v rámci modulárního konstrukčního přístupu – filtrační a přepínací jednotky, přijímače/modulátoru, modulu procesoru základního pásma a napájecího modulu výkonového zesilovače.

Oscilátory zajišťují stabilní frekvenční referenci pro EUT a malý hlubokovlnný transpondér, jakož i možnost jednosměrného dopplerovského měření. Rovněž poskytují stabilní časovou referenci kosmické lodi, která se používá k synchronizaci palubních hodin pro správné časové značení vědeckých a telemetrických dat.

UHF anténa Electra je kvadrafilární šroubovice s předchozím letovým dědictvím.

Jednotka Electra má rozměry 17 × 22 × 14 cm a váží 4,9 kg a je uzavřena v pozlaceném hořčíkovém šasi. Tepelná regulace je zajištěna odvodem tepla přes základní instalační desku jednotky.

Při průletu sondy Mars Orbiter v zorném poli landeru nebo roveru navážou obě jednotky Electra na obou vozidlech komunikační spojení. Na základě geometrie daného průletu sleduje jednotka Electra kosmické lodi sílu signálu pozemního terminálu a přikazuje mu během průletu různé rychlosti přenosu dat v závislosti na vzdálenosti mezi nimi. Rychlost přenosu dat může být pouhý 1 kb/s a za příznivých podmínek až 2 048 kb/s. Data přijatá systémem Electra jsou poté uložena na palubě orbiteru pro přenos na zem pomocí jeho systému s vysokým ziskem v pásmu X.

To umožňuje roverům přenášet velké objemy dat včetně vědeckých dat, snímků a telemetrie vozidla, které by nebylo možné přenášet prostřednictvím jejich vlastního komunikačního systému, který může dosáhnout pouze zlomku rychlosti datové komunikace orbiteru přímo na Zemi.

Přes svou eliptickou oběžnou dráhu byl MAVEN považován za vhodný orbitální modul pro přenos dat v pásmu UHF, ale poskytování komunikačního relé během jeho vědecké mise by snížilo vědeckou návratnost mise. Proto MAVEN před zahájením vědeckých operací předvádí úplnou end-to-end demonstraci Comm Relay.

Primární vědecká mise neobsahuje žádné plánované reléové operace, protože MAVEN slouží jako záloha sond Mars Reconnaissance Orbiter a Mars Odyssey. V prodloužené vědecké misi týmy počítají s tím, že vytvoří prostor pro obojí, vědecké i komunikační relé

Energetický systém

MAVEN je vybaven dvěma rozmístitelnými solárními panely, z nichž každý se skládá ze dvou panelů. Solární panely jsou pevné a nasměrování na slunce se provádí změnou polohy vozidla. Vnější panely jsou instalovány pod úhlem 20 stupňů racčího křídla vůči vnitřním panelům, aby byla zajištěna aerostabilita kosmické lodi při průletu horní částí marsovské atmosféry.

Na obou vnějších solárních panelech jsou instalovány dvě klínovité potápěcí desky, které usnadňují práci magnetometrů kosmické lodi. S nasazenými solárními panely měří MAVEN od špičky ke špičce 11,43 metru.

Dva solární panely poskytují přibližně 1 200 W elektrické energie, která se ukládá do dvou baterií s kapacitou 55 ampérhodin. Specializovaná elektronika rozděluje elektrickou energii a řídí stav nabití obou baterií. MAVEN používá hlavní napájecí sběrnici s napětím 28 V.

Kloubová plošina pro užitečné zatížení

MAVEN má kloubovou plošinu pro užitečné zatížení instalovanou na výložníku, která usnadňuje práci přístrojům IUVS, STATIC a NGIMS. Platformu lze nezávisle nasměrovat, aby její přístroje mohly shromažďovat vědecká data v různých orientacích kosmické sondy. Platforma je vybavena vnitřním a vnějším kardanem. Kloubovou plošinou pro užitečné zatížení lze pohybovat o +/-90 stupňů ve výšce a má pohyb v azimutu +/-177,5 stupně.

Instruments

Sonda MAVEN nese celkem osm přístrojů:

• SupraThermal And Thermal Ion Composition (STATIC)
• Solar Energetic Particle (SEP)
• Solar Wind Electron Analyzer (SWEA)
• Solar Wind Ion Analyzer (SWIA)
• Langmuir. Probe and Waves (LPW)
• Magnetometr (MAG)
• Hmotnostní spektrometr neutrálních plynů a iontů (NGIMS)
• Zobrazovací ultrafialový spektrometr (IUVS)

>>>Přehled přístrojů MAVEN

.