Mgr inż. Piotr Orleański Centrum Badań Kosmicznych, Polska Akademia Nauk,

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej

Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / 22.02.2006 / strona 1

Mgr inż. Piotr OrleańskiCentrum Badań Kosmicznych,

Polska Akademia Nauk,00-716 Warszawa, ul. Bartycka 18A

[email protected], tel.: 8403766 w.206

wykłady będą umieszczone na stronie:

www.cbk.waw.pl/teledetekcja

Część 1 –– wiadomości ogólneWstępOrganizacja projektów kosmicznych, struktury konsorcjów, gdzie możemy znaleźć swój udział, Przegląd różnych rodzajów satelitarnej aparatury pomiarowej,Klasyfikacja projektów (na przykładzie ESA), w których taka aparatura jest budowana,Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu,Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego),Narzędzia używane w kolejnych etapach projektu,PrzerwaAparatura satelitarna– na przykładzie spektrometru fourierowskiego PFS dla misji Mars Express i Venus Express.



Część 2 – interfejsy pokładoweInterfejsy mechaniczne,Interfejsy optyczne,Interfejsy termiczne,Satelita jako fragment aparatury,Anteny pomiarowe,Systemy zasilania aparatury pomiarowej,Sterowanie aparaturą pomiarową, komendy pokładowe,Telemetria pokładowa, zbieranie danych, ich przechowywanie i transmisja na Ziemię,Zagadnienia EMC,Przerwa,Aparatura satelitarna – na przykładzie teleskopu promieniowania gamma dla misji Integral.



Część 3 – wymagania środowiskowe i testyPróżnia – problemy mechaniczne i cieplne,Bilans cieplny satelity,Narażenia mechaniczne,Nieważkość,Promieniowanie i jego wpływ na elementy elektroniczneTesty wytrzymałościowe,Testy cieplne w komorach próżniowych,Clean-room,Testy EMC,Aparatura MGSE i EGSE,Bazy danych służących do testów i późniejszego sterowania aparaturą,Przerwa,Aparatura satelitarna– na przykładzie penetratora w misji Rosetta.



Część 4 – Niezawodność (Product Assurance)Klasyfikacje projektów uwzględniające problemy niezawodności,Struktura projektu uwzględniająca problemy niezawodności,Normy projektowania stosowane przez różne agencje kosmiczne,Niezawodność elementów stosowanych w projektach satelitarnych,Niezawodność zbudowanego urządzenia – testy kwalifikacyjne a testy akceptacyjne,Wymagania dotyczące dokumentacji,Analiza niezawodnościowa (FMECA, WCA, PSA),Przerwa,Aparatura satelitarna– na przykładzie różnych analizatorów fal plazmowych,Aparatura satelitarna– na przykładzie spektrometru HIFI w misji Herschel.



Część 5 – Niezawodność, c.d. - projektowanie nadmiarowe jako „dyskusyjny” element procesu budowy aparatury pomiarowej.

problem prawidłowego zdefiniowania założeń,,określenie obszarów najsłabiej zdefiniowanych,próba zdefiniowania najbardziej „uniwersalnego” urządzenia pomiarowego,niezawodność funkcjonalna urządzenia,kryteria (i ich ważność) stosowana w procesie projektowania aparatury sateliternej,praktyczne sposoby zwiększenia niezawodności funkcjonalnej,Przerwa,Aparatura satelitarna– na przykładzie różnych przyrządów optycznych,



Organizacja projektów kosmicznych, struktury konsorcjów, gdzie możemy znaleźć swój udział

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA): Austria, Belgia, Dania, Finlandia, Francja, Holandia, Irlandia, Niemcy, Norwegia, Portugalia, Hiszpania, Szwecja, Szwajcaria, Wielka Brytania, Włochy. Kanada ma specjalny status członka stowarzyszonego i bierze udział w niektórych projektach. W chwili obecnej kilka innych państw europejskich, w tym i Polska, uzyskały lub starają się o podobny status.

www.esa.int•Główna siedziba ESA mieści się w Paryżu•ESTEC, European Space Research and Technology Centre, Noordwijk, Holandia, to główne laboratoria techniczne.•ESOC, European Space Operations Centre, Darmstadt, Niemcy, to główne centrum kontroli misji. •EAC, European Astronauts Centre, Kolonia, Niemcy to miejsce gdzie trenują astronauci ESA. •ESRIN, European Space Research Institute, Frascati, Włochy zbiera, gromadzi i prowadzi dystrybucję danych.•Koruou - pole startowe w Gujanie Francuskiej.

Agencje narodowe:NASA - National Areonautic and Space Administration,CNES - Centre National d’Etiudes Spatiales,ASI - Agenzia Spaziale Italiano,DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,RKA- Rossiiskoie Aviacionno-Kosmitcheskoje Agenstwo,CAS - Canadian Space Agency,SRON - Stichting Ruimteonderzoek Nederland,i wiele innych



Organizacja projektów kosmicznych, struktury konsorcjów, gdzie możemy znaleźć swój udział, cd.

Środowiska naukoweNarodowe agencje

kosmiczneESA

Program naukowy ESA

Konkretny projekt

ESA Project OfficeAparatura:

konkurs eksperymentówSatelita:

konkurs Primary Contractor

Konkretny eksperymentPrimary Investigator

Fragmenty projektuCo-Investigator



Konkretny eksperymentPrimary Investigator



Różne rodzaje satelitarnej aparatury pomiarowej – propozycje (2002) dla misji Beppi Colombo do Merkurego:Remote Sensing Instruments Narrow angle camera Surface imaging in visible and near-infrared at medium-high resolution Wide angle camera Surface imaging in visible and near-infrared for complete topography at low resolution Infrared mapping spectrometer Mineralogy and observation of absorption bands in near and thermal infrared UV spectrograph Exospheric composition and morphology - UV photometry, surface mapping Mercury X-ray spectrometer Elemental mapping / composition of surface layer Mercury gamma-ray spectrometer Determination of the chemical composition of the surface, Mercury neutron spectrometer Chemical composition variations. Search for water-ice depositsRadio Science Instruments Ka/Ka band transponder Radio science, range and range-rate measurements Accelerometer Global mapping of Mercury gravity field Laser Altimeter Laser altimeter Topographic mappingSurface Element instruments Alpha X-ray spectrometer Chemical composition of soil and rocks Heat flow and physical properties pck. Thermal and mechanical properties of the soil, heat flow from the deep interior Seismometer Tidal activity, reflection at mantle discontinuities, possible impact recording Descent camera for a lander Imaging of the surface at several wavelengths during the descent Surface camera for a lander Black and white imaging of the surface Mercury lander magnetometer Surface magnetic field and global electric conductivity Mole deployment device Deployment of HP3 Mercury micro-rover Transport geochemistry package to selected targets for in-situ measurementsMagnetospheric Orbiter instruments Dual 3-axis fluxgate magnetometer Magnetic field mapping Ion mass spectrometer Ambient plasma composition and energy distribution Electron electrostatic analyser 3D electron energy distribution Radio and plasma wave investigation Survey of magnetospheric waves, detect. of radio emission sources, solar activity monitor. Cold plasma analyser Low energy plasma distribution in magnetosphere Energetic plasma detector Energetic magnetospheric electrons and ions Camera Preliminary mapping of the surface



Różne rodzaje satelitarnej aparatury pomiarowej – wybrane we wrześniu 2004 instrumenty dla misji Beppi Colombo, zlikwidowano lądownik, pozostawiono dwa orbitery



Przegląd różnych rodzajów satelitarnej aparatury pomiarowej - przykłady innych misji:

Overview of Integral's four instruments IBIS Imager on board Integral Satellite Gamma Ray imager (telescope) SPI Spectrometer for Integral SPI will measure gamma-ray energies with exceptional precision OMC Optical Monitoring Camera Integral's optical camera will make long observations of the visible light from gamma-ray and X-ray sources JEM-X Joint European X-ray Monitor The X-ray monitor

Overview of ISO instrumentsTelescope IR telescope used for all four instruments

ISOCAM IR Camera 2.5 to 17 micron cameraISOPHOT IR photo-polarimete 2.5 to 240 micron radiometerSWS Short Wave Spectrometer 2.5 to 45 microns spectrometerLWS Long Wave Spectrometer 45 to 196.8 microns spectrometer

Overview of SMART-1 InstrumentsEPDP/SPEDE Electric Propulsion Diagnostic Pckg. Monitoring the side effects of electric propulsionOBAN Onboard Autonomous Navigation Testing autonomous navigationSIR Infrared Exploration of the lunar surface Towards a detailed analysis of the surface compositionD-CIXS Demonstration of a Compact Imaging X-ray A new generation of X-ray imagers for planetary

Spectrometer observationKaTE X/Ka-band Telemetry and Telecommand Exp. Investigating new communications technology Laser-Link Experiment Optical communication studiesAMIE Asteroid-Moon Micro-Imager Experiment A multicolour micro-camera



Przegląd różnych rodzajów satelitarnej aparatury pomiarowej cd.

szczególnie istotne parametry aparatury:

kamery, teleskopy- rozdzielczość przestrzenna, czułość, pole widzenia, dokładność odwzorowania geometrycznego, kompresja strumienia danych, szybkość pozyskiwania pojedynczych kadrów;

spektrometry, analizatory widma - rozdzielczość spektralna, czułość, zakresy pomiarowe, aliasing, szybkość przemiatania, możliwość automatycznej adaptacji pracy instrumentu do szybko zmieniających się warunków pomiaru, uniwersalność (synchronizacja pracy wielu spektrometrów);

próbniki, układy robotyki dla lądowników - masa, zasilanie, praca autonomiczna (ograniczone zdalne sterowanie), niezawodność;

czujniki - czułość, szeroki zakres pomiarowy, niewrażliwość na zmienne warunki środowiskowe lub możliwość łatwej kalibracji, mała masa



Klasyfikacja projektów (na przykładzie ESA), w których aparatura pomiarowa jest budowana

Projekty o najwyższym priorytecie - międzynarodowe laboratoria badawcze.

Projekty o największym znaczeniu dla rozwoju wybranych dziedzin nauki, tzw. „cornerstone missions”.

Projekty duże, w których poszczególne eksperymenty finansowane są w całości przez PI a satelita przez ESA.

Projekty tzw. „technologiczne” służące do sprawdzenia wybranych zagadnień technologicznych.

Projekty małe, z zasady realizowane razem z innymi (wspólne wyniesienie na orbitę).

Projekty dydaktyczne, głównie studenckie

Zasady finansowania, problemy niezawodności, odpowiedzialność za eksperyment, dostępność wyników, zasady publikowania raportów.



Projekty ESA



Projekty ESA



Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu




Faza 0: analiza misji, identyfikacja potrzeb.

•zidentyfikowanie i wstępna charakterystyka proponowanej misji,

•ocena fizykalnych i środowiskowych wymagań dla misji,

•identyfikacja możliwych rozwiązań systemowych z uwypukleniem innowacyjności i możliwych problemów,

•wstępne określenie struktury organizacyjnej misji, jej kosztów i harmonogramu

Faza A: wykonalność projektu

•wyszczególnienie i charakteryzacja krytycznych elementów projektu,

•okreslenie sposobu finansowania,

•studia różnych rozwiązań systemowych i porównanie wyników z oczekiwaniami, określenie niewiadomych,

•ocena ryzyka, ocena możliwości technologicznych i wykonawczych

Faza powinna zakończyć się wyborem koncepcji projektu. W tej fazie najczęściej dochodzi do wstępnego rozdziału prac, od aktywności w tej i poprzedniej fazach zależy nasza pozycja w projekcie.




Faza B: wstępne zdefiniowanie projektu.

•wybór rozwiązań technicznych,

•sformułowanie systemowych założeń dla projektu,

•decyzja co kupić a co należy zbudować,

•modelowanie i budowa prototypów krytycznych elementów projektu, potwierdzenie, że wybrana koncepcja da się zrealizować,

•pełne określenie i podział zadań technicznych, kosztów, powstanie pełnej struktury organizacyjnej,

•stworzenie założeń dla Planu Niezawodności,

Faza C: szczegółowe zdefiniowanie projektu, modele instrumentów

•stworzenie i zatwierdzenie szczegółowych założeń dla całego projektu i jego składowych,

•określenie sposobów kwalifikacji i testowania podsystemów i instrumentów,

•rozpoczęcie procedury zamawiania elementów,

•przygotowanie Interface Control Documents,

•wykonanie pierwszych modeli, weryfikacja założeń, czasami wykonanie modelu kwalifikacyjnego i jego testy.

Faza C kończy się Critical Design Review, formalna akceptacja zakończenia tej fazy jest konieczna do przejścia do fazy wykonywania modeli lotnych.




Faza D: produkcja modeli lotnych, integracja satelity.

•przeprowadzenie kwalifikacji instrumentów (czasami w fazie C),

•budowa egzemplarzy lotnych i zapasowych,

•testy akceptacyjne egzemplarzy lotnych, integracja przyrządów i satelity,

•testy satelity na Ziemi,

•przygotowanie centrum operacyjnego (kontrola projektu po starcie),

•przygotowanie środków umożliwiających wykorzystanie danych, rozdział „czasu pomiarowego” i obiektów,

Faza D kończy się decyzją o wystrzeleniu, ostatecznymi testami zintegrowanego satelity, zintegrowaniem satelity z rakietą oraz wystrzeleniem satelity

Faza E: wykorzystanie instrumentu

•E1 - cruise phase - faza dolotu (w przypadku dalekich misji),

•E1 - „commisionning phase” - testy i kalibracja przyrządu na orbicie,

•E2 - eksploatacja instrumentu przez użytkowników.

Faza F: zakończenie misji



Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego)

model(e) laboratoryjny - budowany po to, aby sprawdzić podstawowe założenia instrumentu - bardzo uproszczony, wykonany z elementów/materiałów komercyjnych, modeluje tylko najbardziej krytyczne fragmenty urządzenia




model gabarytowo/masowy i termalny (STM)- struktura i parametry mechaniczne i cieplne modelu powinny odpowiadać przyszłemu egzemplarzowi lotnemu. Budowany jest głównie dla Prime Contractor w celu przeprowadzenia testów mechanicznych i cieplnych całego satelity przed fazą wykonywania egzemplarzy kwalifikacyjnych instrumentów.




różne symulatory - ze względu na dużą złożoność aparatury buduje się ją w wielu miejscach. Aby uniknąć przyszłych problemów związanych z integracją całego urządzenia wykonuje się i rozsyła do kooperantów symulatory swojego urządzenia. Dzięki temu, już we wczesnej fazie projektu można przeprowadzić częściowe integracje poszczególnych podsystemów, co znacznie przyśpiesza finalną integrację.




model(e) inżynieryjny (EM)- budowany po to, aby sprawdzić pełną funkcjonalność instrumentu - praktycznie powinien zawierać wszystkie bloki przyszłego urządzenia (bez redundancji), wykonany jest z elementów/materiałów komercyjnych, model ten w końcowej fazie testów dostarczany jest do Prime Contractor i tam integrowany z pierwszym, funkcjonalnym modelem satelity, sprawdza się współpracę EM z pozostałymi urządzeniami satelity, w tym, przede wszystkim z układami telemetrii, komend i zasilania. Jest to pierwszy model w którym można sprawdzić oprogramowanie pokładowe.




model kwalifikacyjny (QM)- budowany po to, aby sprawdzić zachowanie się instrumentu w całym zakresie zmian warunków otoczenia. Testuje się go w komorach próżniowo-termalnych, poddaje narażeniom mechanicznym, sprawdza jego odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i radiację (nie zawsze). Obciążenia testowe są większe niż zakładane warunki eksploatacji. Zakłada się, że model jest wykonany tak samo jak egzemplarz lotny, dopuszcza się stosowanie elementów militarnych zamiast kosmicznych. Wszystkie bloki docelowe muszą być w modelu reprezentowane, użyte technologie identyczne z finalnymi. Czasami ten egzemplarz zostaje zakwalifikowany jako zapasowy.




modele: lotny (FM) i zapasowy (FS) - model lotny zostaje przetestowany, zintegrowany z satelitą i wystrzelony, model zapasowy pozostaje w gotowości i może być zamieniony z lotnym nawet w ostatniej chwili. Model zapasowy po starcie służy do symulowania na ziemi działania instrumentu. Czasami jest wykorzystywany w kolejnych misjach jako lotny.



Narzędzia używane w kolejnych etapach projektu

w fazie projektowania: typowe pakiety oprogramowania:

- analiza układów optycznych - ZEMAX, OPTICAD,- analiza układów elektronicznych - głównie pochodne SPICE - InSpice, PiSpice....- analiza wpływu radiacji na elementy elektroniczne (SPUR, CATIA,...)- typowe programy CAD dla projektowania mechaniki (Autodesk INVENTOR, NASTRAN, CATIA, Solid Work, ANSYS...), płytek drukowanych (PiCAD, OrCAD, PADS, PROTEL), układów programowalnych (np. Libero dla FPGA firmy ACTEL), typowe programy wspomagajace proces technologiczny (MASTER CAM, ...)- pełna gama oprogramowania wspomagającego pisanie oprogramowania, kompilatory, symulatory...- dokumentacja

w fazie uruchamiania: typowy sprzęt laboratoryjny, czasami konieczne jest stworzenie lub użycie specjalistycznej aparatury. Zawsze używana jest aparatura MGSE i EGSE

w fazie integracji i testów: „clean room”, komory próżniowo-termiczne, wytrząsarki, symulatory Słońca, klatki Faraday’a, aparatura do pomiarów EMC.... Czasami bardzo specjalistyczne zestawy symulujące specyficzne warunki środowiska.



Narzędzia używane w kolejnych etapach projektu - modelowanie wpływy radiacji na elementy elektroniczne - fragment dokumentacji firmy ALCATEL wykonanej dla projektu Herschel

