Avaruusaluksen tiedot – MAVEN

Avaruusaluksen tiedot

Lockheed Martin rakensi Maven-avaruusaluksen hyödyntäen perintökomponentteja ja -tekniikoita, jotka lentävät Mars Reconnaissance Orbiterissa ja Juno-avaruusaluksessa, jotka molemmat ovat myös LM:n rakentamia. MAVEN koostuu kuutiomaisesta avaruusaluksesta, johon on sijoitettu suurin osa avaruusaluksen järjestelmistä ja hyötykuormista, joista osa on asennettu avattaviin instrumenttipuomeihin. Pääalustaan on myös kiinnitetty kaksi avattavaa aurinkopaneelia, joissa on myös tieteellisiä instrumentteja.

Satelliittialusta on kooltaan 2,3 x 2,3 x 2 metriä, ja se koostuu alumiinisesta hunajakennosta, joka on sijoitettu grafiittikomposiittilevyjen väliin. Rakenteen ytimenä on halkaisijaltaan 1,3 metriä oleva sylinteri, joka sulkee sisäänsä avaruusaluksen polttoainesäiliön.

Säteissuunnassa sylinteriin on asennettu komposiittilevyjä, jotka on kiinnitetty metalliliitoksilla. Sylinteriä, säteittäisiä levyjä ja ulkopaneeleita käytetään avaruusaluksen laitteiden kiinnitysalustoina ja ne toimivat kantavina rakenteina.

Primäärirakenteen massa on 125 kilogrammaa, ja se pystyy kantamaan avaruusaluksen koko massan ja laukaisun aikana koetut kuormat. MAVENin kuivapaino on 809 kilogrammaa.

Kokonaisuudessaan MAVEN on 3,47 metriä korkea, 2,29 metriä leveä ja 11,43 metriä pitkä, kun sen kaksi suurta aurinkopaneelia on otettu käyttöön. Laukaisuhetkellä avaruusalus painaa 2 454 kilogrammaa.

Keskiputken sisällä sijaitsevassa suuressa polttoainesäiliössä on koko MAVEN-operaation hydratsiinivarasto. Sen on valmistanut ATK Aerospace Group, Kalifornia, ja se on 1,83 metriä korkea, ja se pystyy pitämään sisällään 1640 kiloa hydratsiinimonopropellanttia avaruusaluksen työntövoimajärjestelmän käyttöön.

Propulsiojärjestelmä

MAVENin työntövoimajärjestelmä perustuu Mars Reconnaissance Orbiteria varten kehitettyyn järjestelmään. Aerojetin valmistama työntövoimajärjestelmä käyttää yhteensä 20 työntömoottoria, jotka on jaettu kolmeen ryhmään – kuuden pääpotkuripotkurin pankkiin, kuuteen keskipitkän työntövoiman moottoriin ja kahdeksaan asennonohjauspotkuriin. Kaikki moottorit ovat katalyyttisiä työntömoottoreita, jotka käyttävät hydratsiinimonopolttoainetta.

MAVEN on varustettu yhteensä kuudella MR-107N-työntömoottorilla, jotka on asennettu avaruusaluksen pohjaan. Kukin näistä moottoreista tuottaa 170 Newtonin nimellistyöntövoiman ja 109-296 Newtonin kuristuskyvyn. Kun kaikki kuusi moottoria ovat nimellisellä kaasulla, MAVENin kokonaistyöntövoima on 1020 newtonia eli 104 kilovoimaa.

MR-107N toimii 8,2-27,8 baarin polttoaineen syöttöpaineella ja 4,2-11,2 baarin kammiopaineella ja tuottaa 229-232 sekunnin ominaisimpulssin. Moottori kuluttaa 49-131 grammaa polttoainetta sekunnissa työntövoima-asetuksesta riippuen. Laajenemissuhde on 20,7. MR-107N painaa 740 grammaa, ja sen pituus on 22 senttimetriä ja halkaisija 6,6 senttimetriä. Se käyttää Moogin yksipaikkaista venttiiliä. Moottori on sertifioitu lähes 1 500 käyttökierrokselle.

Päävoimajärjestelmää käytetään MAVEN-avaruusaluksessa sen ensimmäisessä suuressa lentoradan korjausmanööverissä ja ratkaisevassa Mars Orbition Insertion -manööverissä sekä kaikissa muissa suurissa manöövereissä, jotka vaativat suurta delta-v:tä. MAVENin polttoainejärjestelmä toimii säännellyssä tilassa päämoottoripolttoja varten ja tyhjennystilassa pienempiä työntömoottoreita käyttäviä asentoharjoituksia varten. Säiliön paineistamiseen käytetään heliumia.

Päävoimajärjestelmän lisäksi MAVEN on varustettu kuudella MR-106E-työntökoneella, joita käytetään pienempiin lentoratakorjauksiin, kiertoradan säätömanöövereihin ja asento-ohjaukseen päämoottoripolttojen aikana, kuten laskeutumismanööverissä.

MR-106E tuottaa 22 newtonin työntövoiman, jonka toiminta-alue on 11,6-30,7 newtonia ja joka toimii 6,9-24,1 baarin syöttöpaineessa ja 4,5-12,4 baarin kammiopaineessa.

Työntömoottorin ominaisimpulssi on 229-235 sekuntia. Sen paisuntasuhde on 60 ja se kuluttaa 5,0-13,1 grammaa ajoainetta sekunnissa. MR-106E painaa 635 grammaa, sen pituus on 18,2 senttimetriä ja suuttimen halkaisija 3,4 senttimetriä. 22N-potkurissa käytetään Dual Seat -potkuriventtiiliä. Se on sertifioitu yli 50 000 käyttökerralle ja pitkille, jopa 2 000 sekunnin laukaisuille sekä 4 670 sekunnin kumulatiiviselle polttoajalle.

Pienempiä asennonohjausmanöövereitä varten MAVENissa on kahdeksan MR-103D-työntömoottoria, joista kukin tuottaa pienen, 1 newtonin työntövoiman, jonka toiminta-alue on 0,22-1,02 newtonia. MR-103D toimii polttoaineen syöttöpaineella 6,2-27,6 bar ja kammiopaineella 5,9-23,4 bar, kun moottori käyttää 0,09-0,5 grammaa hydratsiinia sekunnissa.

Moottorin laajenemissuhde on 100. Moottori on 14,6 senttimetriä pitkä, sen massa on 330 grammaa ja halkaisija 3,4 senttimetriä. Tässä moottorissa käytetään myös kaksoispesäventtiiliä, joka antaa 209-224 sekunnin ominaisimpulssin. MR-103D on sertifioitu 275 000 käyttökerralle ja 111 tunnin kumulatiiviselle polttoajalle sekä 5 000 sekunnin kertalaukaisusertifikaatille.

Navigointi ja asennonhallinta

MAVEN on varustettu redundantilla aurinkoanturijärjestelmällä, jonka avulla lasketaan auringon asento, jotta ajoneuvon aurinkopaneelit voidaan suunnata kohti aurinkoa ajoneuvon turvatilan sattuessa, jotta sähköntuotanto säilyy vakaana.

Kaksi tähtiseurantalaitetta tuottavat tarkat navigointi- ja orientaatiodatatat MAVENin aluksella olevalle tietokoneelle. Tähtiseurantatietoja käytetään tarkkaan suuntaamiseen kohti Maata viestintää varten, aurinkoon akkujen lataamista varten ja Marsiin tiedetoimintaa varten. Tähtiseurantalaitteet tuottavat kymmenen kuvaa sekunnissa, joita verrataan tuhansien tähtien luetteloon ajoneuvon suunnan määrittämiseksi avaruudessa.

Avaruusalukseen on asennettu myös kahden inertiamittausyksikön redundantti järjestelmä. Kumpikin yksikkö koostuu kolmesta rengaslasergyroskoopista ja kolmesta kiihtyvyysmittarista – yhdestä gyroskoopista ja yhdestä kiihtyvyysmittarista kutakin mitattavaa akselia varten. IMU:n avulla määritetään tarkasti ajoneuvon kiihtyvyydet moottoripolttojen aikana ja ajoneuvon nopeudet asennonmuutosten aikana, jotta saadaan aikaan tarkka tähtäysmahdollisuus. Kiihtyvyysmittaritietoja voidaan käyttää myös ilmakehän tiheyden mittaamiseen Marsin ilmakehän ylimmässä osassa, kun vetovoimat alkavat näkyä avaruusalukselle.

Avun lentotietokone käyttää anturien antamia navigointitietoja ajoneuvon asennonsäätöjärjestelmän aktivoimiseksi. Suurempiin asentoharjoituksiin MAVEN käyttää pieniä 1-Newtonin työntömoottoreita, kun taas ajoneuvon tavanomainen suuntaus ja asennonhallinta toteutetaan neljällä reaktiopyörällä – kolme kutakin pyörimisakselia varten ja yksi varapyörä.

Pyöriä pyöritetään sähkömoottoreilla muuttuvalla nopeudella, jota muutetaan asentoharjoituksia tehtäessä. Kukin reaktiopyöräkokoonpano painaa 10 kiloa, ja pyörät pyörivät jopa 6 000 kierrosta minuutissa. Ohjausmoottoreita käytetään ajoittaiseen kulmamomentin desaturaatioon – reaktiopyörien hidastamiseen ja siitä aiheutuvan voiman kompensoimiseen ohjaustehostimilla, jotta pyörät voidaan sitten kiihdyttää tavanomaisten asento-operaatioiden aikana.

Lentotietokone &tietojärjestelmä

MAVEN on varustettu RAD-750-keskuskortilla, joka on yhden kortin tietokone, jonka on valmistanut BAE Systems Manassasissa, Va:ssa. Prosessori kestää säteilyannoksia, jotka ovat miljoona kertaa äärimmäisempiä kuin ne, joita pidetään ihmisille kohtalokkaina. RAD750-suoritin itsessään kestää 200 000-1 000 000 säteilyä. RAD750 ei myöskään joudu kärsimään kuin yhdestä tapahtumasta, joka vaatii toimenpiteitä Maasta 15 vuoden aikana.
”RAD750-kortti on suunniteltu kestämään kaikki nämä yksittäisten tapahtumien vaikutukset ja selviytymään niistä. Lopullisena tavoitteena on, että 15 vuoden aikana sallitaan yksi häiriö. Häiriö tarkoittaa toimenpiteitä Maasta – yksi ’sininen kuvaruutu’ 15 vuoden aikana. Meillä on tyypillisesti sopimuksia, jotka (määrittelevät) tämän”, sanoi Vic Scuderi BAE:n liiketoimintapäällikkö.

RAD-750 julkaistiin vuonna 2001, ja sen ensimmäinen laukaisu tapahtui vuonna 2005 Deep Impact -avaruusaluksen mukana. CPU:ssa on 10,4 miljoonaa transistoria. RAD750-prosessorit toimivat jopa 200 megahertsin kellotaajuudella ja suorittavat prosessointia 400 MIPS:n nopeudella. Suorittimessa on L1-välimuisti, jonka koko on 2 x 32KB (käsky + data) – suorituskyvyn parantamiseksi voidaan ottaa käyttöön useita 1 MB:n L2-välimuistimoduuleja tehtävän vaatimusten mukaan.

RAD750 toimii -55 °C:n ja 125 °C:n välisissä lämpötiloissa, ja sen virrankulutus on 10 wattia. Vakiomallinen RAD750-järjestelmä kestää 100 000 radia.

Datankäsittelyjärjestelmä vastaanottaa tietoja hyötykuormasta ja voi lähettää hyötykuormille käskyjä osana tallennettuja toimintasekvenssejä. Datankäsittelyjärjestelmät käsittelevät myös navigointiantureiden antamia tietoja, jotka puolestaan ohjaavat ajoneuvon asennonohjausjärjestelmää ja työntövoimajärjestelmiä. Taloudenhoitotoiminnot, kuten lämmittimien käskyttäminen lämpötila-anturitietojen perusteella ja virranhallinta, suoritetaan myös tietokonejärjestelmän avulla.
Massamuistipaneeli on suoraan yhteydessä avaruusaluksen telejärjestelmään datan downlinkkausta ja käskyjen uplinkkausta varten.

Viestintäjärjestelmä

MAVEN-avaruusaluksessa on korkean vahvistuksen viestintäjärjestelmä sekä matalan vahvistuksen järjestelmä.
MAVENin korkean vahvistuksen antenni on kiinnitetty avaruusaluksen +Z-akselille, eikä sitä voi itse siirtää Maan seuraamiseksi. Antenni on halkaisijaltaan 2,1 metrin levyinen lautasantenni, jossa on kaksoisheijastimella varustettu X-Band-järjestelmä, jolla saavutetaan jopa 550 kb/s:n downlink-tiedonsiirtonopeus. Se on valmistettu kevlar-kennosydämestä kahden komposiittipintalevyn välissä. HGA:ssa on Traveling Wave Tube Amplifiers -vahvistimet, jotka tuottavat voimakkaan signaalin, jonka Deep Space Network -asemat voivat vastaanottaa Maassa.

Koska high-gain-antenni on kiinnitetty avaruusalukseen, koko MAVEN-avaruusalusta on siirrettävä, jotta antenni voidaan suunnata Maahan säännöllisten viestintäsessioiden ajaksi, joiden keston odotetaan olevan viisi tuntia kahdesti viikossa, kun avaruusalus pitää taukoa tieteellisistä toiminnoista.

Matalavahvuinen järjestelmä ei vaadi asennonmuutoksia, koska MAVEN-avaruusaluksen kahdella matalavahvuisella antennilla saavutetaan ympärisäteilevä peitto hyvin pienillä tiedonsiirtonopeuksilla. Matalan vahvistuksen järjestelmää voidaan käyttää matalan tiedonsiirtonopeuden telemetrian, kuten Marsin kiertoradalle asettamisen aikana käytettävien äänimerkkien, ylös- ja alaslähetyksen ohjaamiseen.

Electra UHF-terminaali

Signaalien lähettämiseen Maahan ja signaalien vastaanottamiseen kotimaasta käytettävän X-taajuuskaistaviestintäjärjestelmänsä lisäksi MAVEN-antenni on varustettu Electra UHF -viestintäterminaalilla. Electraa on käytetty useissa aiemmissa Mars-lennoilla, ja siitä on tullut vakiojärjestelmä, jota käytetään Mars-mönkijöiden tietojen välittämiseen.

Electra-päätelaite koostuu kaksisäikeisistä UHF-lähetinvastaanottimista, kaksisäikeisistä ultrastabiileista oskillaattoreista tarkkaa navigointia ja pintapaikannusta varten sekä matalavahvuisesta UHF-antennista, joka on suunnattu nadiirille. EUT (Electra UHF Transceiver) on hyötykuorman ydin.

Se on täysin uudelleenkonfiguroitavissa oleva, taajuusjoustava lähetin, joka toimii taajuusalueella 390-450 MHz. EUT koostuu neljästä päällekkäisestä alustasta osana modulaarista suunnittelua – suodatus- ja kytkentäyksiköstä, vastaanottimesta/modulaattorista, peruskaistaprosessorimoduulista ja tehovahvistimen teholähdemoduulista.

Oskillaattorit tarjoavat vakaan taajuusvertailun EUT:lle ja pienelle syvän avaruuden transponderille sekä yksisuuntaisen Doppler-etäisyysmittauksen. Lisäksi se tarjoaa avaruusalukselle vakaan aikaviitteen, jota käytetään aluksen kellojen synkronointiin tieteellisen ja telemetriatiedon asianmukaista aikamerkintää varten.

Electran UHF-antenni on aiempaa lentokokemusta omaava kvadrafilaarinen kierteinen antenni.

Electra-yksikkö on kooltaan 17 x 22 x 14 senttimetriä, ja sen paino on 4,9 kilogrammaa, ja se on suljettu kullattuun magnesiumrunkoon. Lämmönsäätö tapahtuu hylkäämällä lämpöä yksikön perusasennuslevyn kautta.

Kun Mars Orbiter kulkee laskeutumisaluksen tai kulkuneuvon näkökentässä, näiden kahden ajoneuvon kaksi Electra-yksikköä muodostavat viestintäyhteyden. Avaruusaluksen Electra-yksikkö tarkkailee kulloisenkin ohituksen geometrian perusteella maanpäällisen päätelaitteen signaalin voimakkuutta ja ohjaa sitä eri tiedonsiirtonopeuksiin ohituksen aikana niiden välisen etäisyyden perusteella. Tiedonsiirtonopeus voi olla niinkin alhainen kuin 1 kt/s ja suotuisissa olosuhteissa jopa 2 048 kt/s. Electra-järjestelmän vastaanottamat tiedot tallennetaan sen jälkeen kiertoradalle, josta ne voidaan lähettää alaspäin maahan sen suuren vahvistuksen X-Band-järjestelmän avulla.

Tämä mahdollistaa sen, että kiertoradalla liikkuvat pystyvät lähettämään alaspäin suuria tietomääriä, kuten tieteellistä dataa, kuvia ja ajoneuvojen telemetriaa, joita ei pystytä lähettämään alaspäin niiden omilla viestintäjärjestelmillä, jotka kykenevät saavuttamaan vain murto-osan kiertoradalla liikkuvan satelliittitietokoneen suorasta tiedonsiirtonopeudesta Maahan päin.

Elliptisestä kiertoradastaan huolimatta MAVENin on katsottu soveltuvan hyvin UHF-tiedonsiirtoon, mutta Comm Relayn tarjoaminen sen tieteellisen tehtävän aikana vähentäisi tehtävän tieteellistä tuottoa. Tästä syystä MAVEN demonstroi Comm Relayn täydellisen loppuun asti ulottuvan demonstraation ennen tiedeoperaatioiden aloittamista.

Primäärisellä tiedeoperaatiolla ei ole suunniteltuja releoperaatioita, sillä MAVEN toimii Mars Reconnaissance Orbiterin ja Mars Odysseyn varajärjestelmänä. Laajennetussa tiedeoperaatiossa tiimit odottavat tekevänsä tilaa sekä tiede- että tietoliikennereleelle

Voimajärjestelmä

MAVENissa on kaksi käyttöönotettavaa aurinkopaneelia, joissa kummassakin on kaksi paneelia. Aurinkopaneelit ovat kiinteitä, ja auringon suuntaaminen tapahtuu muuttamalla ajoneuvon asentoa. Ulommat paneelit on asennettu 20 asteen lokinsiipikulmaan sisempiin paneeleihin nähden, jotta avaruusalus olisi aerostabiili, kun se lentää Marsin ilmakehän ylimmän osan läpi.

Kahteen ulompaan aurinkopaneeliin on asennettu kaksi kiilamaista sukelluslevyä, jotka helpottavat avaruusaluksen magnetometrejä. Kun aurinkopaneelit on otettu käyttöön, MAVEN ulottuu 11,43 metriä kärjestä kärkeen.

Kahdesta aurinkopaneelista saadaan noin 1 200 watin sähköteho, joka varastoidaan kahteen 55 ampeeritunnin akkuun. Erikoiselektroniikka jakaa sähkötehoa ja säätelee kahden akun varaustilaa. MAVEN käyttää 28 voltin päävirtaväylää.

Nivelletty hyötykuorma-alusta

MAVENissa on puomiin asennettu nivelletty hyötykuorma-alusta, joka helpottaa IUVS-, STATIC- ja NGIMS-instrumenttien käyttöä. Alusta voidaan suunnata itsenäisesti, jotta sen instrumentit voivat kerätä tieteellistä tietoa erilaisissa avaruusaluksen asennoissa. Alusta on varustettu sisä- ja ulkokardaanilla. Nivellettyä hyötykuorma-alustaa voidaan liikuttaa +/-90 astetta korkeussuunnassa ja sillä on +/-177,5 asteen atsimuuttiliike.

Instruments

MAVEN-avaruusaluksessa on yhteensä kahdeksan instrumenttia:

• 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)
• Magnetometri (MAG)
• Neutraalikaasu- ja ionimassaspektrometri (NGIMS)
• Kuvantamisultraviolettispektrometri (IUVS)

>>>>>Kuvaava ultraviolettispektrometri (IUVS)

>>>Katsaus NAVEN-laitteeseen

.