ISA
Przyspieszeniomierz sprężynowy jest przyspieszeniomierzem trójosiowym przeznaczonym do wykonywania pomiarów niegrawitacyjnych zaburzeń przyspieszeń orbitera MPO. Ich znajomość jest istotna przy analizach danych dotyczących śledzenia statku kosmicznego, używanych w eksperymencie radiowym MORE. Tym samym instrument ten przyczyni się do znaczej poprawy dokładności określania pozycji sondy i wspomoże badania pola grawitacyjnego Merkurego, jego rotacji i budowy wnętrza, a także testy ogólnej teorii względności. W celu spełnienia celów naukowych eksperymentu MORE orbita statku MPO musi być ustalona z dokładnością do 1 metra wzdłuż kierunku ruchu w czasie 1 obiegu (8355 s). Odpowiadająca temu dokładność pomiarów przyspieszenia wynosi 10^-8 m/s^2. W przypadku misji do Merkurego uzupełnienie eksperymentu radiowego dedykowanym przyspieszeniomerzem jest bardzo istotne z dwóch głównych przyczyn. Po pierwsze statek kosmiczny będzie poruszał się w pobliżu masywnego ciała (Słońca) co wyostrzy efekty relatywistyczne. Po drugie na dynamikę statku będzie miało wpływ niezwykle surowe środowisko zewnętrze, głównie silne promieniowanie słoneczne, śiatło odbite od powierzchni planety, oraz emisja podczerwieni z powierzchni Merkurego. Będzie ono wprowadzało efekty niegrawitacyjne nakładające się na efekty grawitacyjnne. Siły takie są bardzo trudne do modelowania, ponieważ zależą do natężenia promieniowania, właściwości optycznych powierzchni statku kosmicznego oraz jego orientacji przestrzennej. Modele analityczne wprawdzie istnieją, ale są praktyczne tylko dla niektórych przypadków, np dla statku symetrycznego sferycznie. Efekty takie ograniczają dokładność wyprowadzenia z danych wartości istotnych dla badań geofizycznych i relatywistycznych. Zastosowanie precyzyjnego przyspieszeniomierza zamiast modeli analitycznych lub numerycznych pozwala natomiast na precyzyjniejsze wyznaczenie parametrów orbity pojazdu. Techniki takie zostały w ostatnich latach znacznie udoskonalone. Przyspieszeniomierze przystosowane do tego celu zostały zastosowane w przypadku misji geodezyjnych CHAMP i GRACE.
Przyspieszeniomierz ISA służy do pomiarów sumarycznego efektu wywieranego na dynamikę orbitera przez promieniowanie słoneczne, promieniowanie odbite od powierzchni planety oraz emisję podczerwieni z powierzchni Merkurego. Instrument składa się z 3 jednostek, po jednej dla każdej osi w której prowadzone są pomiary przyspieszenia. Fundamentalnym elementem każdej jednostki jest mechaniczny oscylator harmoniczny o częstotliwości odpowiedzi f0=3.5 Hz. Ogólnie jest on złożony z masy testowej połączonej ze statkiem kosmicznym za pomocą sprężyny o niskiej stałej elastyczności. Przyspieszenia działające na statek kosmiczny mogą być rozpatrywane jako przyspieszenia inercyjne działające na masę testową w układzie odniesienia będącym statkiem kosmicznym. Przyspieszeniomierz jest ściśle przymocowany do statku kosmicznego, a jego zewnętrza struktura jest układem odniesienia odpowiadającym statkowi. Przemieszczenie masy testowej jest rejestrowane przez przetwornik pojemnościowy. W teorii do detekcji przyspieszeń wzdłuż trzech osi można zastosować jeden element, ale w praktyce w ISA użyto trzech mas testowych, oddzielnej dla każdej osi. Statek kosmiczny musi być też rozpatrywany jako odniesienie nieinercyjne. Konieczne jest przyjęcie, że każdy jego punkt doświadcza nie tylko przyspieszeń liniowych, ale też przyspieszeń kątowych oraz gradientu pola grawitacyjnego. Efekty te muszą być wyjęte pod uwagę jako zaburzenia i uwzględnione podczas redukcji danych.
Ogólnie pomiary wykonywane przez przyspieszeniomierz opisuje wzór Ameas = ok. B + Sf*Atrue + Anoise; gdzie Ameas i Atrue są odpowiednio przyspieszeniami mierzonymi i realnymi, zaburzonymi przez nachylenie B i czynnik Sf (pomijając możliwy czynnik niesiony), a Anoise jest wkładem szumu stochastycznego i deterministycznego. Prawdzie przyspieszenie mierzone przez każdy element ISA można opisać jako Atrue + aTID + aAPP + aNGP; gdzie aTID jest wkładem gradientów grawitacyjnych, a aAPP - wkładem przyspieszeń pozornych (kątowych). APP = -ω(ω + R) - ωR - 2(ωR) - R; gdzie R jest wektorem pozycji każdej z mas testowych w stosunku do środka masy statku kosmicznego, ω - prędkością kątowa statku, aNGP - reprezentacją wpływu perturbacji niegrawitacyjnych, czyli celem pomiarów ISA. Zarówno aTID jak i aAPP zależą od wektora R. Dlatego też najlepszą pozycją dla wszystkich trzech sensorów byłby środek masy statku kosmicznego. W miejscu tym gradienty pola grawitacyjnego oraz przyspieszenia kątowe nie zakłócałyby pomiarów. Jednak umieszczenie wszystkich trzech sensorów w jednym punkcie nie jest możliwe. Ponadto na ich pozycję ma rozmieszczenie urządzeń we wnętrzu statku kosmicznego oraz zmiany położenia środka masy w różnych fazach misji. Na bazie wykonanych analiz optymalną pozycją dla wszystkich trzech sensorów okazało się takie ich ustawienie, w którym są one skierowane wzdłuż nominalnej osi rotacji statku.
Fizycznie system ISA składa się z dwóch jednostek - układu sensorów (ISA Detector Assembly - IDA) oraz elektroniki kontrolnej (ISA Control Electronics - ICE). Są one połączone w jeden moduł. IDA zawiera trzy jednostki detekcyjne, przedwzmacniacz oraz konwerter analogowo - cyfrowy. ICE zawiera elektronikę kontrolującą pracę instrumentu oraz interfejsy z MPO. Całkowita masa instrumentu wynosi 5.8 kg. Masy testowe charakteryzują się masą 0.2 kg. Jednostka IDA ma wymiary 300 x 170 x180 mm. ICE charakteryzuje się wymiarami 170 x 130 x 86 mm. Pobór mocy bez grzejników wynosi 7.4 W, a wraz z grzejnikami przy najbardziej niekorzystnych warunkach termicznych - 10.1 W. Maksymalny chwilowy pobór mocy w najbardziej niekorzystnych warunkach wynosi 12.1 W.
Trzy jednostki detekcyjne znajdujące się w IDA tworzą rdzeń instrumentu. Każda z nich składa się z oscylatora mechanicznego, jednostki pobudzającej i kontrolnej, oraz układu detekcji sygnału. Detekcję sygnału (przemieszczenia mas testowych) zapewnia przetwornik pojemnościowy w podstacji układu kondensatorów (detekcyjnych i odniesienia) tworzących obwód pomostowy połączony z niskoszumowymi wzmacniaczami. Obwód pomostowy jest pobudzany napięciem z częstotliwością fp=10 kHz, a wahania przyspieszenia o częstotliwości fs działające na masę testowej oscylatora powoduje, że pojemność elektryczna układu przestaje być zbalansowana. Powoduje to modulację woltażu - na wyjściu obserwowany jest wygnał w postaci dwóch pasm f+/- = fp +/- fs. Użycie sygnału o wysokiej częstotliwości pozwala na pracę wzmacniacza przy częstotliwości 10 kHz, gdzie szum termiczny jest niższy. Innym istotnym parametrem zastosowanych oscylatorów, poza częstotliwością jest ich czynnik jakości mechanicznej Qm=10, sprawiający, że szumy brownianowskie są nieistotne. Ponadto przetwornik charakteryzuje się wysokim współczynnikiem połączenia elektromechanicznego β (stosunkiem energii mechanicznej oscylatora do mierzonej mocy sygnału elektrycznego).
W celu wykonania prawidłowych pomiarów zachowanie się oscylatorów musi być stałe w czasie i niezależne od zmian temperatury. Dlatego też system kontroli temperatury urządzenia utrzymuje ją na poziomie tak stałym jak jest to możliwe, dzięki czemu sygnał fałszywy jest mniejszy od czułości instrumentu. Poza warstwami izolacji termicznej zastosowano aktywny system kontroli temperatury, zmniejszający jej wahania o czynnik 700. Szum właściwy przyspieszeniomierza wynosi 10^-9 m/s^2/pierwiastek Hz w paśmie częstotliwości od 3x10^-5 do 10^-1 Hz. Całkowity szum w pomiarze, będący sumą szumu właściwego dla instrumentu oraz wprowadzanego przez statek kosmiczny jest równy 10^-8 m/s^2/pierwiastek Hz, dlatego też w czasie integracji deltaT dokładność przyspieszeniomierza jest lepsza od 10^-8 m/s^2, co spełnia wymogi eksperymentu MORE pod kątem dokładności rekonstrukcji orbity MPO. Innymi źródłami błędu, poza czynnikami termicznymi są błędy w ustalaniu orientacji przestrzennej MPO, wibracje struktury MPO, zmiany pozycji środka masy MPO na skutek przesuwania anteny HGA i zużywania paliwa, oraz niedokładności w ustawieniu osi oscylatorów. Efekty te muszą być uwzględniane podczas analizy danych.
Wątek: BepiColombo (kompendium) (Przeczytany 47147 razy)