ORBITER MPO
KONSTRUKCJA
Mercury Planetary Orbiter jest zasadniczym elementem misji. Posiada instrumenty przeznaczone do badań teledetekcyjnych powierzchni planety oraz do monitorowania pól magnetycznych i cząstek w stosunku niewielkiej odległości od powierzchni Merkurego. Pozwalają one na spektrometrię powierzchni planety w zakresie promieniowania rentgenowskiego, podczerwieni i światła widzialnego; fotometrię w podczerwieni; rejestrację neutronów pochodzących z powierzchni; obrazowanie wysokorozdzielcze, multispektralne i stereoskopowe; altymetrię laserową; spektrometrię egzosfery w zakresie ultrafioletu; pomiary pół magnetycznych; rejestrację jonów i atomów neutralnych w otoczeniu; oraz na rejestrację słonecznego promieniowanie rentgenowskiego, jonów i elektronów. Do podstawowych obszarów badań tej sondy zaliczają się: badania powierzchni - topografii, morfologii i składu pierwiastkowego oraz mineralnego; badania wnętrza planety - stanu jej jądra, składu oraz mechanizmów generowania pola magnetycznego; badania egzosfery - składu chemicznego, dynamiki, mechanizmów uwalniających gazy z materiału powierzchniowego; oraz badania otoczenia plazmowego w niewielkiej odległości od planety - jego struktury, dynamiki oraz składu.
MPO kształt zbliżony do prostopadłościanu. Jego wymiary to 3.9 x 2.2 x 1.7 m (najdłuższy wymiar bez radiatora - 2.4 m). Posiada on tez wysięgnik dla magnetometru o długości 2.8 m. W przeciwieństwie do ażurowych wysięgników orbitera MMO wysięgnik ten ma postać jednorodnej, jednoelementowej belki. Przez rozpostarciem będzie złożony na boku sony, wzdłuż krawędzi radiatora. Całkowita długość statku wraz z rozłożonymi panelami słonecznymi wynosi 7.5 m. Całkowita masa orbitera wraz z paliwem wynosi 1 075 kg. Masa paliwa to 709 kg.
Zasadnicza struktura pojazdu jest oparta na konstrukcji złożonej z paneli wewnętrznych, tworzących rusztowanie w kształcie podwójnej litery H. Zastosowana konfiguracja pozwoliła na zainstalowanie większości komponentów na zewnętrznych ścianach tej konstrukcji. Ułatwiło to prace w trakcie montażu i testów pojazdu. Panele zewnętrzne mają strukturę ażurową. Są pokryte grubą izolacją wielowarstwową (Multi Layer Insulation - MLI) zoptymalizowaną do pracy w wysokich temperaturach. Na powierzchni dolnej znajduje się łącznik z modułem MTM. Na powierzchni górnej umieszczono łącznik z MOSIF.
Energii elektrycznej dostarcza prostokątne skrzydło paneli fotowoltaicznych umieszczone na jednej ze ścian pojazdu. Składa się z trzech prostokątnych paneli słonecznych. Początkowo planowano zastosowanie 2 paneli, ale zwiększenie ich liczny było konieczne z powodu większej niż szacowano degradacji komórek słonecznych w małej odległości od Słońca. Konstrukcja paneli jest taka sama jak w przypadku modułu MTM. Są wyłożone komórkami słonecznymi tylko z jednej strony. Z powodu dużej ilości przyjmowanego ciepła powierzchnia paneli jest wyłożona w 70% komórkami słonecznymi, a w 30% reflektorami optycznymi (Optical Surface Reflectors - OSR), zwierciadłami odbijającymi nadmiar światła słonecznego. Pozwala to na utrzymywanie temperatury paneli w bezpiecznych granicach. Ich temperatura nie może przekroczyć 200°C. Skrzydło może się obracać. Kąt pomiędzy panelem a Słońcem będzie mniejszy od 80 stopni. Pozwala to na generowanie dostatecznej ilości energii, a jednocześnie nie dopuszcza do przegrzania paneli. Produkcja energii elektrycznej w peryhelium orbity Merkurego to 1162 W a w aphelium - 1515 W. Typowy pobór mocy w czasie wykonywania badań naukowych wynosi 1300 W. Energia jest zużywana na bieżąco, a także ładuje baterię chemiczną używaną w trakcie przejść przez cień Merkurego. System elektryczny orbitera pracuje przy napięciu 28 V.
Ilość ciepła przyjmowana przez statek jest bardzo duża. W peryhelium orbity Merkurego obszar statku zwrócony w kierunku Słońca będzie pochłaniał 14 kW/m^2 ze Słońca i 6 kW/m^2 z powierzchni planety. Po stronie dosłonecznej powierzchnia pojazdu może nagrzewać się do temperatury 360 - 400°C. Wywołało to wiele problemów przy projektowaniu elementów wystawionych na bezpośrednie działanie światła słonecznego lub odbitego od Merkurego - paneli słonecznych, anten, mechanizmów obracających anteny i rozkładających wysięgnik magnetometru, izolacji wielowarstwowej, pokryć cieplnych instrumentów i radiatora. Wraz z projektowaniem napędu jonowego były to główne czynniki wpływające na masę i wymiary pojazdu oraz znacznie zwiększające koszty misji. Temperatura wewnątrz statku jest utrzymywana w standardowych graniach 0 - 40 °C. Niektóre instrumenty są chłodzone do -10°C.
Kontrolę temperatury wewnętrznej umożliwia wielowarstwowa izolacja termiczna, duży radiator oraz grzejniki. Grzejniki są przeznaczone do użycia głównie podczas zaćmień. Izolacja MLI charakteryzuje się niekonwencjonalną budową umożliwiającą pracę w wysokiej temperaturze. Jej zewnętrzna część charakteryzuje się wysoką odbijalnością, ponieważ konieczne było maksymalne ograniczenie ilości pochłanianego ciepła. Jednak pomimo to będzie rozgrzewać się do temperatury około 360°C. Zastosowanie standardowej izolacji wielowarstwowej nie było więc możliwe. Dla MPO zastosowano więc zupełnie nowy rodzaj MLI. Jej sekcja zewnętrzna stanowi rodzaj osłony przeciwsłonecznej. Jest pokryta warstwą włókna szklanego blokującego światło słoneczne. Pod nią znajdują się 4 warstwy folii tytanowych i aluminiowanych rozdzielonych warstwami włókna szklanego. Sekcja wewnętrzna składa się dwóch części. Pierwsza jest zbudowana z z 10 warstw folii z upilexu rozdzielonych izolacją z poliamidu. Druga składa się z dalszych 10 warstw folii z upilexu. Łącznie izolacja ta ma 30 warstw. Znajduje się na standardowej, 10-warsowej izolacji MLI. Jest od niej oddalona o 15 mm. Dzięki temu uwinięto przenoszenia ciepła na drodze przewodnictwa. Ponadto strony obu izolacji zwrócone do siebie charakteryzują się wysoką odbijalnością, co minimalizuje przenoszenie ciepła na drodze promieniowania. Mocowanie izolacji zewnętrznej jest niekonwencjonalne. Nie zawiera otworów i wypustek. Łączna masa izolacji wynosi 66 kg.
Antena wysokiego zysku jest w całości wystawiona na promieniowanie słoneczne, promieniowanie odbite od powierzchni oraz promieniowanie podczerwone z powierzchni. Jej pokrycie charakteryzuje się niskim współczynnikiem pochłaniania ciepła. Eksperyment radiowy wymaga anteny o dużej stabilności, dlatego też wykonano ją w większości z tytanu.
Szczególne problemy spowodowało zaprojektowanie radiatora. Pojazd będzie wykonywał pomiary teledetekcyjne na całej swojej orbicie przez cały rok merkuriański. Jedna ze ścian pojazdu, zawierająca otwory wejściowe większości instrumentów będą więc wycelowane w stronę nadiru przez prawie cały czas. 5 z 6 ścian pojazdu będzie przez pewien czas oświetlana przez Słońce. Radiator mógł więc zostać umieszczony tylko na jednej ze ścian statku, prostopadłej do ściany zwróconej w stronę planety. Pomimo braku bezpośredniego oświetlenia przez Słońce radiator będzie wystawiony na promieniowanie odbite przez powierzchnię planety oraz na emitowaną przez nią podczerwień. Dlatego też zewnętrzna strona radiatora pokryta jest wypolerowanymi tytanowymi listewkami ustawionymi pod kątem zapewniającym odbijanie podczerwieni cieplnej na zewnątrz. Pozwala to na zminimalizowanie pochłaniania ciepła pochodzącego z powierzchni oraz na skuteczne usuwanie ciepła ze statku w przestrzeń kosmiczną. Listewki będą rozgrzewać się do temperatury nawet 400°C, ale właściwa powierzchnia radiatora będzie miała temperaturę około 60°C. W czasie każdego roku merkuriańskiego pojazd konieczne będzie wykonanie dwóch manewrów zmiany orientacji przestrzennej pozwalających na zachowanie radiatora po stronie odsłonecznej statku. Ciepło jest odbierane z komponentów pojazdu i dostarczane do radiatora przez układ 93 rur kapilarnych przebiegających w obrębie zasadniczej struktury statku.
Łączność z Ziemią zapewnia antena wysokiego zysku (High-Gain Antenna - HGA), antena średniego zysku (Medium-Gain Antenna - MGA), oraz dwie anteny niskiego zysku (Low-Gain Antenna - LGA). Antena wysokiego zysku o średnicy 1.5 m jest zainstalowana na krótkim wysięgniku na stronie pojazdu skierowanej w stronę zenitu. Może obracać się w celu nakierowania na Ziemię. Umożliwia łączność jednocześnie w pasmach X i Ka, przy czym pasmo Ka jest przeznaczone wyłącznie dla eksperymentu radiowego MORE. Do eksperymentu tego podłużą oba pasma, w łączu sonda - Ziemia i i Ziemia - sonda. Umożliwi to bardzo precyzyjne pomiary dopplerowskie i dokładne ustalanie parametrów orbity sondy. HGA służy jednak głównie do transmisji danych naukowych z wysokimi szybkościami, wynoszącymi około 50 kbps. Całkowita produkcja danych wyniesie 1550 Gb na rok ziemski. Możliwości wymiany danych są około 80 razy większe niż w przypadku sondy MESSENGER. Antena MGA została umieszczona na osobnym wysięgniku. Służy głównie do transmisji danych inżynieryjnych z niskimi szybkościami. Anteny LGA są przeznaczone do użycia w trakcie poważnych problemów.
MPO jest stabilizowany trójosiowo. Służą do tego 4 koła reakcyjne (jedno zapasowe) oraz zestaw silniczków umożliwiających usuwanie momentu pędu z kół reakcyjnych. Użyto tutaj 4 silników o ciągu 10 N. Danych nawigacyjnych dostarczają 3 szperacze gwiazd, sensor Słońca oraz bezwładnościowy układ pomiary z precyzyjnymi żyroskopami. Szperacze gwiazd oraz żyroskopy pozwalają na bardzo precyzyjne określanie orientacji sondy, z dokładnością rzędu kilku sekund kątowych. Jest to istotne dla instrumentów badających powierzchnię Merkurego. Sensor Słońca pozwala na określenie pozycji sondy w trakcie nagłych problemów powodujących utratę danych na temat orientacji pojazdu. Jest tutaj szczególnie istotny. Pozwala na automatyczne odwracanie wrażliwych powierzchni od Słońca, dzięki czemu nigdy nie zostaną one wystawione na bezpośrednie oświetlenie przez czas dłuższy niż 85 sekund.
System napędowy pojazdu zawiera 4 silniki o ciągu 22N oraz 4 silniki o ciągu 10N. Silniki 22N są umieszczone na ścianie statku skierowanej w stronę nadiru. Posłużą do uzyskania finalnej niskiej orbity okołomerkurjańskiej. W naukowej fazie misji nie będą używane. Silniki 10N służą tylko do usuwania nadmiaru pędu z kół reakcyjnych. Umieszczono je na ścianie statku z radiatorem. Układ napędowy obejmuje też 2 zbiorniki paliwa, wspólne dla silników służących do zmian orbity oraz dla silników kontroli orientacji. Paliwem jest czysta hydrazyna, a utleniaczem - czterotlenek azotu (NTO). Silniki 22N używają paliwa dwuskładnikowego, co pozwala na osiągnięcie wysokiego impulsu właściwego. Silniki 10N używają tylko hydrazyny. Pozwala to na uniknięcie zanieczyszczenia powierzchni statku wyrzucanymi gazami.
Wątek: BepiColombo (kompendium) (Przeczytany 39194 razy)