Raumschiff Design

Das Entwurf von Raumfahrzeug deckt ein breites Gebiet ab, einschließlich des Designs beider Roboter -Raumschiff (Satelliten und Planetensonden) und Raumschiffe für menschlicher Raumflug (Raumschiffe und Raumstationen).

Herkunft

Das Design des Raumfahrzeugs wurde in den 1950er und 60er Jahren als Disziplin mit dem Aufkommen von Amerikanisch und Sowjet Weltraumforschung Programme. Seitdem hat es Fortschritte gemacht, obwohl es typischerweise weniger als vergleichbare terrestrische Technologien. Dies ist ein großer Teil auf das herausfordernde Raumumfeld zurückzuführen, aber auch auf den Mangel an grundlegender F & E und auf andere kulturelle Faktoren innerhalb der Designgemeinschaft. Auf der anderen Seite ist ein weiterer Grund für das Design der langsamen Raumfahrt die hohen Energiekosten und die geringe Effizienz für die Umlaufbahn. Diese Kosten könnten als "Start-up-Kosten" als zu hoch angesehen werden.

Ingenieurbereiche beteiligte Bereiche

Das Design des Raumfahrzeugs vereint Aspekte verschiedener Disziplinen, nämlich:

• Raumfahrt Für Missionsdesign und Ableitung der Entwurfsanforderungen,
• Systemtechnik zur Aufrechterhaltung der Entwurfsbasis und Ableitung von Teilsystem Bedarf,
• Kommunikationstechnik Für die Gestaltung der Subsysteme, die mit dem Boden kommunizieren (z. Telemetrie) und durchführen Ranging.
• Technische Informatik Für das Design des an Bord Computers und Computerbusse. Dieses Subsystem basiert hauptsächlich auf terrestrischen Technologien, aber im Gegensatz zu den meisten von ihnen muss es: die Raumumgebung bewältigen, sehr autonom sein und eine höhere Fehlertoleranz bieten.
  • Es kann Platz für qualifizierte Raum enthalten strahlungsgehärtet Komponenten.
• Softwareentwicklung für das an Bord Software Dadurch werden alle On-Board-Anwendungen sowie die Steuerungssoftware mit niedriger Ebene ausgeführt. Dieses Subsystem ähnelt terrestrischen Echtzeit- und eingebetteten Softwaredesigns sehr.
• Elektrotechnik Für das Design des Leistungssubsystems, das die erzeugt, speichert und verteilt elektrische Energie zu allen an Bordgeräten,
• Kontrolltheorie für das Design der Attitüde und Orbit Steuerungssubsystem, das das Raumschiff korrekt hinweist und die Umlaufbahn gemäß dem Missionsprofil verwaltet oder ändert; Die für die Betätigung und Erfindung im Raum verwendete Hardware ist normalerweise sehr spezifisch für Raumfahrzeuge.
• Thermaltechnik für das Design der Wärmekontrolle Subsystem (einschließlich Heizkörper, Isolierung und Heizungen), die die Umweltbedingungen beibehalten, die mit dem Betrieb der Raumfahrzeuge kompatibel sind; Dieses Subsystem verfügt seit im Weltraum über sehr platzspezifische Technologien. Strahlung und Leitung normalerweise als thermische Wirkungen dominieren, durch Widerstand gegen die Erde wo Konvektion ist normalerweise die wichtigste,
• Antrieb Ingenieurwesen Für die Gestaltung des Antriebssubsystems, das Mittel zum Transport des Raumfahrzeugs von einer Umlaufbahn zur anderen bietet,
• Maschinenbau Für die Gestaltung der Raumfahrzeugstrukturen und -mechanismen sowie die Auswahl von Materialien für die Verwendung im Vakuum. Dazu gehören Strahlen, Panels und Bereitstellungsanhänge oder Trennungsgeräte (um sich von der zu trennen Startfahrzeug).

Raumfahrzeuge Subsysteme

Struktur

Der Raumfahrzeugbus trägt die Nutzlast. Die Subsysteme unterstützen die Nutzlast und hilft bei der korrekten Nutzlast. Es stellt die Nutzlast in die richtige Umlaufbahn und hält sie dort. Es bietet Haushaltsfunktionen. Es bietet auch Orbit- und Einstellungswartung, elektrische Leistung, Befehl, Telemetrie und Datenhandhabung, Struktur und Starrheit, Temperaturregelung, Datenspeicherung und Kommunikation, falls erforderlich. Der Nutzlast und das Raumfahrzeugbus können unterschiedliche Einheiten oder kombiniert sein. Der Booster-Adapter stellt die Ladungsschnittstelle mit dem Fahrzeug (Nutzlast und Raumfahrzeugbus zusammen) zur Verfügung.

Das Raumschiff kann auch eine Treibmittelbelastung haben, mit der das Fahrzeug nach oben fahren oder schieben wird, und eine Antriebskick -Stufe. Das üblicherweise verwendete Treibmittel ist ein komprimiertes Gas wie Stickstoff, Flüssigkeit wie monopropellantisches Hydrazin oder festen Brennstoff, das für Geschwindigkeitskorrekturen und Einstellungskontrolle verwendet wird. In einer Kick -Stufe (auch Apogee Boost Motor, Propulsion Modul oder integraler Antriebsstufe genannt) wird ein separater Raketenmotor verwendet, um das Raumschiff in seine Missionsumlaufbahn zu versenden. Während des Entwurfs eines Raumfahrzeugs sollte die verwendete Umlaufbahn in den Punkt berücksichtigt werden, da sie die Einstellungskontrolle, das thermische Design und das elektrische Leistungssubsystem beeinflusst. Diese Effekte sind jedoch im Vergleich zu den Auswirkungen der Nutzlast aufgrund der Umlaufbahn sekundär. So beim Entwerfen der Mission; Der Designer wählt eine solche Umlaufbahn aus, die die Nutzlastleistung erhöht. Der Designer berechnet sogar die erforderlichen Leistungseigenschaften der Raumfahrzeuge wie Zeigen, Wärmekontrolle, Leistungsmenge und Arbeitszyklus. Das Raumschiff wird dann hergestellt, was alle Anforderungen erfüllt.

Einstellungsbestimmung und Kontrolle

Das Einstellungsbestimmung und Kontrolle des Subsystems (ADCs) wird verwendet, um die Einstellung (Orientierung) des Raumfahrzeugs zu ändern. Es gibt einige externe Drehmomente Auf das Raumschiff entlang der Achse, die durch ihre Achse verläuft Schwerpunkt das kann das Raumschiff in eine beliebige Richtung neu ausrichten oder ihm einen Dreh geben. Die ADCs werden diese Drehmomente durch Anwenden gleicher und entgegengesetzter Drehmomente unter Verwendung des Antriebs und der Navigation aufnulliert. Der Trägheitsmoment des Körpers ist zu berechnen, um die äußeren Drehmomente zu bestimmen, die auch die absolute Einstellung des Fahrzeugs unter Verwendung von Sensoren erfordern. Die Eigenschaft, die als "gyroskopische Steifheit" bezeichnet wird, wird verwendet, um den Spinneffekt zu verringern. Das einfachste Raumschiff erreicht die Kontrolle, indem sie sich mit den magnetischen oder Schwerkraftfeldern der Erde drehen oder interagieren. Manchmal sind sie unkontrolliert. Raumfahrzeuge haben möglicherweise mehrere Körper oder sie sind an wichtige Teile gebunden, wie z. B. Solaranlagen oder Kommunikationsantennen, die eine individuelle Einstellung benötigen. Für die Kontrolle der Einstellung des Anhangs werden häufig Aktuatoren mit separaten Sensoren und Controllern verwendet. Die verschiedenen verwendeten Arten von Steuerungstechniken sind:

• Passive Steuerungstechniken.
• Spin -Steuerungstechniken.
• Drei-Achsen-Steuerungstechniken.

Telemetrie, Verfolgung und Befehl

Telemetrie, Verfolgung und Befehl (TT & C) werden für die Kommunikation zwischen Raumfahrzeugen und den Bodensystemen verwendet. Die Subsystemfunktionen sind:

• Kontrolle des Raumfahrzeugs durch den Bediener auf der Erde
• Erhalten Sie die Uplink -Befehle, verarbeiten Sie sie und senden Sie sie zur Implikation an andere Subsysteme.
• Erhalten Sie die Downlink -Befehle aus Subsystemen, verarbeiten Sie sie und senden Sie sie auf die Erde.
• Informieren Sie ständig über die Position des Raumfahrzeugs.

Kommunikation

Der Prozess des Sendens von Informationen an das Raumschiff wird Uplink- oder Vorwärtsverbindung genannt und der entgegengesetzte Prozess wird Downlink oder Rückgabeverbindungslink genannt. Uplink besteht aus Befehlen und Rangentönen, bei denen Downlink aus Status -Telemetrie, Rangentönen besteht und sogar Nutzdaten enthalten kann. Empfänger, Sender und eine Weitwinkel (hemisphärische oder omnidirektionale) Antenne sind die Hauptkomponenten eines grundlegenden Kommunikationssubsystems. Systeme mit hohen Datenraten können bei Bedarf sogar eine Richtantenne verwenden. Das Subsystem kann uns die Kohärenz zwischen Uplink- und Downlink-Signalen vermitteln, wobei die Hilfe, bei dem wir den Doppler-Verschiebungen von Bereichsrate messen können, messen können. Das Kommunikationssubsystem wird nach Datenrate, zulässige Fehlerrate, Kommunikationspfadlänge und HF -Häufigkeit dimensioniert.

Die überwiegende Mehrheit des Raumfahrzeugs kommuniziert mithilfe Radioantennen -- Satellitenkommunikation. Ein paar Raumschiffe Kommunizieren Sie mit Lasern- entweder direkt am Boden wie mit LADEE; oder zwischen Satelliten wie mit Oicets, Artemis, Alphabus, und die European Data Relay System.

Leistung

Das Subsystem (EPS) der Stromleistung besteht aus 4 Untereinheiten:

• Stromquelle (Batterie, Solarzelle, Kraftstoffzellen, thermoelektrisches Paar)
• Speichereinheit (Anzahl der Batterien in Reihe)
• Leistungsverteilung (Verkabelung, Schalten, Schockschutz)
• Stromverordnung und Kontrolle (um die Überladung und Überhitzung von Batterien zu verhindern)

Thermal

Das Thermalkontrollsubsystem (TCS) wird verwendet, um die Temperatur aller Raumfahrzeuge innerhalb bestimmter Grenzen aufrechtzuerhalten. Für jede Komponente werden sowohl die oberen als auch die unteren Grenzen definiert. Es gibt zwei Grenzen, nämlich operativ (unter Arbeitsbedingungen) und Überleben (unter nicht funktionierenden Bedingungen). Die Temperatur wird durch die Verwendung von Isolatoren, Kühler, Heizungen, Lamellen und durch die ordnungsgemäße Oberfläche für Komponenten gesteuert.

Antrieb

Die Hauptfunktion des Antriebssubsystems besteht darin, Schub zu liefern, um die Translationsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs zu ändern oder Drehmomente anzuwenden, um seinen Winkelimpuls zu ändern. Es gibt keine Schubanforderung und daher auch keine Antriebsanlagenausrüstung in einem einfachsten Raumschiff. Viele von ihnen benötigen jedoch einen kontrollierten Schub in ihrem System, daher umfasst ihr Design irgendeine Form von Messantrieb (ein Antriebssystem, das in kleinen Schritten ein- und ausgeschaltet werden kann). Das Schub wird für folgende Zwecke verwendet: Zum Ändern der Orbitalparameter, zur Kontrolle der Haltung während des Schubs, der korrekten Geschwindigkeitsfehler, des Manövers, der Zählerstörungskräfte (z. B. Drag) sowie der Kontrolle und des korrekten Winkelimpulses. Das Antriebssubsystem umfasst ein Treibmittel-, Tankage-, Verteilungssystem, Druck- und Treibmittelkontrollen. Es enthält auch Triebwerke oder Motoren.

Eine Beispielarchitektur aus Mitte der 2010er Jahre einer menschlichen Raumfahrtmission zum Mars, wie von der United States Space Agency, NASA, vorgesehen.

Weltraummissionsarchitektur

Das Design des Raumfahrzeugs wird immer durch die jeweilige Missionsarchitektur des zu berücksichtigenden Raumfluges beeinflusst. In der Regel kann eine Vielzahl von Missionsarchitekturen vorgesehen werden, die das Gesamtziel des Fluges erreichen würden, unabhängig davon, ob diese Ziele, wissenschaftliche Daten zu sammeln oder lediglich Transport Fracht über das Raumumfeld, um jede Vielfalt von Zwecken zu dienen, staatlich oder wirtschaftlich.^[1]

Space -Flug -Missionsarchitekturen geben an, ob ein Raumschiff sein soll autonom oder Telerobotic, oder sogar sein Besatzung um mit bestimmten Erfordernissen oder Zielen der Mission umzugehen. Andere Überlegungen sind schnelle oder langsame Trajektorien, Make -up und Kapazität, Länge der Mission oder das Maß an Systemableitungen, damit der Flug verschiedene Grad von erreichen kann Fehlertoleranz.^[1]

Verweise

• "Solarsegel fliegen von Science -Fiction in die Realität". Populärmechanik.