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宇宙船バスは、望遠鏡のシステムを収容するカーボンファイバー製の箱であり、2021年12月25日に打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主要な支持要素である。多数のコンピューティング、通信、推進、構造コンポーネントを収容している。[2] JWSTの他の3つの要素は、光学望遠鏡要素（OTE）、統合科学機器モジュール（ISIM）、サンシールドである。[3] ISIMの領域3も宇宙船バス内にあります。領域3には、ISIMコマンドおよびデータ処理サブシステムと中間赤外線機器（MIRI）クライオクーラーが含まれます。[4]
宇宙船バスは、6.5トンの宇宙望遠鏡を構造的に支える必要があり、重量はわずか350kg（770ポンド）です。[5]主にグラファイト複合材料で作られています。[5]ノースロップ・グラマン社が2015年までにカリフォルニア州レドンドビーチで組み立て、その後、計画されている2018年の打ち上げに向けて宇宙望遠鏡の残りの部分と統合する必要がありました。[6]バスは1秒角 （1 ⁄ 3600 °）の指向精度を提供し、2ミリ秒角までの振動を遮断します。[7]微調整はJWSTの微調整ミラーによって行われるため、ミラーやバス全体を物理的に動かす必要はありません。[8]
宇宙船バスは太陽に面した「暖かい」側にあり、約300ケルビン（80 °F、27 °C）の温度で動作します。[9]太陽に面した側のすべては、片側が連続した太陽光で、もう片側が宇宙船のサンシールドによって影になっているJWSTのハロー軌道の熱条件に対応できなければなりません。[5]
宇宙船バスのもう一つの重要な側面は、中央コンピューティング、メモリストレージ、および通信機器です。[10]プロセッサとソフトウェアは、機器、ソリッドステートメモリコア、およびデータを地球に送り返してコマンドを受信することができる無線システムとの間でデータをやり取りします。[10]コンピュータはまた、ジャイロスコープとスタートラッカーからセンサーデータを取得し、リアクションホイールまたはスラスタに必要なコマンドを送信して、宇宙船の方向と動きを制御します。[10]
概要
このバスは炭素繊維製の箱で、太陽電池パネルやコンピューターなど、望遠鏡を機能させる多数の主要システムを収容している。また、MIRI 冷却装置と ISIM の電子機器も収容されている。
宇宙船バスには6つの主要なサブシステムがある: [11] [2]
- 電力サブシステム
- 姿勢制御サブシステム
- 通信サブシステム
- コマンドおよびデータ処理サブシステム（C＆DH）[2]
- コマンドテレメトリプロセッサ
- ソリッドステートレコーダー (SSR)
- 推進サブシステム
- 熱制御サブシステム
宇宙船バスには、2つのスタートラッカー、6つのリアクションホイール、推進システム（燃料タンクとスラスター）が搭載されています。[12] 2つの主要なタスクは、望遠鏡を向けることと、準安定L2ハロー軌道での軌道維持を行うことです。 [12]
コマンドとデータの処理 (C&DH)
コマンドおよびデータ処理システムには、コンピュータ、コマンドテレメトリプロセッサ（CTP）とデータストレージユニット、ソリッドステートレコーダー（SSR）[2]（容量58.9GB）が含まれています。[12]
コミュニケーション
バスには地球に向けることができる通信用アンテナが取り付けられている。[13] : 図1 KaバンドとSバンドの無線通信がある。 [12]共通コマンドおよびテレメトリシステムは、レイセオンECLIPSEシステムに基づいている。[12]このシステムは、NASAの深宇宙通信ネットワークと通信するように設計されています。主要な科学運用センターは、米国メリーランド州の宇宙望遠鏡科学研究所です。 [14]
ロケットエンジン、姿勢制御
JWST は 2 種類のスラスタを使用しています。二次燃焼増強スラスタ (SCAT) は、推進剤としてヒドラジン( N 2 H 4 ) と酸化剤の四酸化二窒素( N 2 O 4 ) を使用します。[15] SCAT は 2 組で 4 基あります。1 組は JWST を軌道に乗せるために使用され、もう 1 組は軌道上での軌道維持に使用されます。また、燃料としてヒドラジンのみを使用するため、モノプロペラント ロケット エンジン (MRE-1) と呼ばれる 8 基のエンジンもあります。これらは姿勢制御とリアクション ホイールの運動量アンロードに使用されます。[2] [16]
JWSTには姿勢制御用のリアクションホイールが6つ搭載されており、推進剤を使わずに回転することで姿勢を変えることができる。[17]
最後に、すべての推進剤に無調整の圧力を供給するためのチタン製ヘリウムタンクが 2 つあります。[要出典]
JWSTは方向の変化を検知するために半球形共振器ジャイロスコープ（HRG）を使用している。HRGはハッブル宇宙望遠鏡で信頼性の問題となっていたガスベアリングジャイロスコープよりも信頼性が高いと期待されている。しかし、HRGはそれほど細かく方向を定めることができないが、これはJWSTの精密誘導ミラーによって克服されている。[18]
サーマル
バスの熱システムには、展開式ラジエーター シェード アセンブリが含まれます。このアセンブリは 2 つあり、1 つは垂直 (DRSA-V)、もう 1 つは水平 (DRSA-H) で、それぞれ垂直と水平用です (宇宙船バスの座標系に対して)。DRSA を構成する膜は、コーティングされたカプトン膜です。外側にあるその他の熱要素には、バッテリー用の小型ラジエーターがあります。また、下部に固定された狭いラジエーター シェードもあり、これもコーティングされたカプトン膜で作られています。膜のコーティングはシリコンと VPA です。外側の他の部分は、JWST 多層断熱材 (MLI) で覆われています。[要出典]
電力サブシステム (EPS)
電力サブシステムはJWST宇宙船に電力を供給します。[19]これは、太陽電池パネルと充電式バッテリーのセット、[19] [20]太陽電池アレイレギュレータ（SAR）、電力制御ユニット（PCU）、およびテレメトリ取得ユニット（TAU）で構成されています。
ソーラーパネルは太陽光を直接電気に変換します。[19]この生の電力は、それぞれ最大電力点追従 (MPPT) アルゴリズムで動作する 4 つの冗長降圧コンバーター で構成される SAR に供給されます。出力電圧は厳密に制御されていませんが、降圧コンバーターは宇宙船のメインバス電圧が約 22 ボルトを下回ったり、約 35 ボルトを超えて上昇したりしないようにします。すべての科学機器とすべてのサポート回路が同時に「オン」になっている場合、4 つの冗長コンバーターのうち約 3 つで必要な電力をすべて処理できます。通常、1 つまたは 2 つのコンバーターを同時に動作させ、他の 2 つをアクティブ スタンバイ状態にする必要があります。
電源制御ユニット (PCU) は、主に電子スイッチで構成されており、中央コンピュータの制御下で各科学機器またはサポート デバイスのオン/オフを切り替えます。各スイッチにより、SAR から選択した機器に電力が流れます。中央コンピュータとの通信は 1553 バス経由で行われます。電源スイッチに加えて、SAR MPPTアルゴリズムのプロセッサが PCU に配置されています。また、テレメトリ プロセッサ、宇宙船が打ち上げ上段から切断されたことを検出するプロセッサ、およびいくつかのクライオ クーラー コントローラも配置されています。
テレメトリ取得ユニット (TAU) は、望遠鏡の「暖かい」側用のさまざまなヒーター用の電子スイッチで構成されています。さらに、展開アクチュエータ用のスイッチと、テレメトリプロセッサの大部分 (温度、電力、燃料レベルなどの測定) 用のスイッチもあります。TAU は、1553 バスを介して中央コンピュータと通信します。
PCU と TAU はどちらも完全に冗長化されたシステムを備えており、一方がアクティブのときはもう一方がスタンバイモードまたは完全にオフになります。JWST の充電式バッテリーはリチウムイオンタイプです。[20]バッテリーはソニーの 18650 ハード カーボン セル技術を使用しています。[20]バッテリーは宇宙飛行に耐えられるように設計されており、18,000 回の充放電サイクルに耐えられるはずです。[20]各ソーラー パネル構造サポートはハニカムカーボン ファイバー複合材です。[要出典]
バスの初期の構成には、両側に1つずつ太陽電池パネルの翼があった。[21 ] JWSTプログラムの設計の一部には、異なる設計バリエーションが互いに「競争」できるようにすることが含まれていた。[21]
構造
このバスはもともと宇宙空間の無重力環境で運行するように設計されていたが、打ち上げ時には45トン相当の重量に耐えなければならない。[6]この構造は自重の64倍を支えることができる。[22]
宇宙船の構造は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のファーストライトミッションをサポートする最先端の機能を提供します。
— ウェッブ望遠鏡の宇宙船管理者の発言をComposites Worldが引用[22]
宇宙船バスは、展開式タワーアセンブリを介して光学望遠鏡要素とサンシールドに接続されています。 [23]打ち上げロケットとのインターフェースは外側にあり、円錐形をしており、ペイロードアダプターとともに重量と加速度を打ち上げロケットの壁の外側に伝えます。[24]
バスの壁の構造は炭素繊維複合材とグラファイト複合材で作られています。[5] [25]
バスの長さは、ソーラーパネルなしで3,508 mm (11.509 フィート) です。[26]延長されたラジエーターシェードの一方の端からもう一方の端までの長さは 6,775 mm (22.228 フィート) で、これには幅 2 メートルのラジエーターシェード 2 つの長さが含まれます。[26]テールドラッガーのソーラーパネルは 5,900 mm (19.4 フィート) ですが、通常はサンシールドに対して 20 度の角度になっています。[26]パネルはサンシールドセグメントのシールド展開ブームの前にあり、その端にはトリムタブも取り付けられています。
バスの構造自体の重量は350kg（770ポンド）である。[5]
JWSTが打ち上げられると、バスは展開し、運用形態まで伸び始めました。[27]計画では、運用開始から1週間で展開タワーが伸び、バスと上部の宇宙船が約2メートル離れることになっていました。[27]
テスト
テスト目的で、JWST の全体的なソフトウェア シミュレーションをサポートするソリッド ステート レコーダーのソフトウェア シミュレーションが開発されました。これは、JWST 統合シミュレーションおよびテスト (JIST) ソリッド ステート レコーダー (SSR) シミュレーターと呼ばれ、 SSR に関連するSpaceWireおよびMIL-STD-1553通信を使用したフライト ソフトウェアのテストに使用されました。Excalibur 1002 シングル ボード コンピューターがテスト ソフトウェアを実行しました。SSR テスト ソフトウェアは、JWST 統合シミュレーションおよびテスト コア (JIST) と呼ばれる JIST ソフトウェアの拡張機能です。JIST は、JWST ハードウェアのソフトウェア シミュレーションと実際の JWST ソフトウェアを組み合わせて、仮想テストを可能にします。シミュレートされた SSR は、JWST のソフトウェア テスト バージョンの作成をサポートし、望遠鏡のフライト ソフトウェアの検証とテストを支援するために作成されました。言い換えると、SSR の実際のテスト ハードウェア バージョンを使用するのではなく、別のハードウェアで実行される SSR の動作をシミュレートするソフトウェア プログラムがあります。[28]
SSRはコマンドおよびデータ処理サブシステムの一部です。[2]
工事
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宇宙船の要素はノースロップ・グラマン・エアロスペース・システムズ社によって製造されている。[23]サンシールドとバスは2017年に統合される予定である。[29]
2014年、ノースロップ・グラマンはジャイロスコープ、燃料タンク、太陽電池パネルを含むいくつかの宇宙船バス部品の製造を開始しました。[30] 2016年5月25日、宇宙船のパネル統合が完了しました。[30]宇宙船バスの全体的な構造は2015年10月までに完成しました。 [6]宇宙船バスは米国カリフォルニア州レドンドビーチの施設で組み立てられました。 [6]完成した宇宙船バスは2016年初頭に初めて電源が投入されました。[31]
太陽電池アレイは2012年に予備設計監査を完了し、詳細設計段階に移行しました。[32]燃料タンクと酸化剤タンクは2015年9月に組み立てのために出荷されました。[33]
2015年には、通信サブシステム、スタートラッカー、リアクションホイール、高精度太陽センサー、展開電子機器ユニット、コマンドテレメトリプロセッサ、ワイヤーハーネスが建設のために納品されました。[34]
2016年から2018年にかけて、望遠鏡と望遠鏡＋機器の設置とテストが行われ、その後、テキサス州ヒューストンにあるNASAのジョンソン宇宙センターに輸送され、そこで極低温と真空の宇宙環境をシミュレートした環境でエンドツーエンドの光学テストが行われます。その後、すべての部品がノースロップ・グラマンに輸送され、最終組み立てとテストが行われ、その後フランス領ギアナに輸送されて打ち上げられます。
— ポール・ガイトナー、NASAゴダード宇宙飛行センターのウェッブ望遠鏡技術マネージャー[35]
宇宙船バスは、宇宙船要素と他の部品とともにカリフォルニアで組み立てられる予定である。[36]
打ち上げ時には、宇宙船バスは、コーン3936とACU 2624の下部シリンダーとクランプバンドを介してアリアン5に取り付けられます。 [24]これは密閉された打ち上げフェアリングで、使用可能な内部サイズは4.57メートル（15フィート）と16.19メートル（53.1フィート）です。[24]
ジャイロスコープ
宇宙船におけるジャイロスコープの主な従来の用途は 2 つあります。方向の変化を検出することと、実際に方向を変えることです。
JWSTは、半球形共振器ジャイロスコープ（HRG）と呼ばれるタイプのジャイロスコープを使用しています。 [18]この設計には、ベアリング、摩擦部品、[37]またはフレキシブル接続がありません。[18]これは従来の機械式ジャイロスコープではありません。代わりに、HRGには真空中で共振周波数で振動する石英半球があります。[18]宇宙船が移動すると電極が変化を検出し、方向に関する必要な情報を収集します。
この設計では、故障するまでの平均時間が1000万時間と予測されている。[18]ハッブル宇宙望遠鏡ではジャイロスコープが何度も故障し、何度も交換する必要がありました。しかし、これらはガスベアリングジャイロスコープと呼ばれる別の設計であり、一定の利点はあるものの、長期的な信頼性の問題がありました。[38] JWSTには6つのジャイロスコープが搭載されますが、指向に必要なのは2つだけです。[37] JWSTは、望遠鏡の小さな動きに対抗するのに役立つファインステアリングミラーを備えているため、それほど正確な指向は必要ありません。[37]
JWST望遠鏡には回転する反応ホイールも搭載されており、推進剤を使用せずに望遠鏡の向きを調整することができます[17]。また、望遠鏡の姿勢を物理的に変えることができる小型スラスタも搭載されています。
HRGは情報を提供するセンサーであり、リアクションホイールとスラスタは宇宙船の向きを物理的に変更する装置です。[17]これらは一緒に機能して、望遠鏡を正しい軌道に保ち、目的の方向に向けます。[17]
統合
宇宙船バスは、建造中にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に組み込まれました。[39]宇宙船バスとサンシールドセグメントは、いわゆる宇宙船エレメントに統合され、さらに、光学望遠鏡エレメントと統合科学機器モジュールを組み合わせた構造であるOTISと統合されます。[39]これが観測所全体で、JWSTをアリアン5ロケットの最終段に接続するコーンに取り付けられています。[39]宇宙船バスは、そのコーンがJWSTの残りの部分に接続する場所です。
参照
参考文献
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外部リンク
- 建設中のバスの写真
- 18ページにはバスの図がいくつか載っています