¿Cuánto combustible ahorró JWST debido a un lanzamiento preciso y cuánto quedará después de la órbita L2?

¿Cuánto combustible ahorró JWST debido a un lanzamiento preciso de Arianne 5 y cuánto combustible quedará después de la inserción orbital JWST L2? ¿Y cuántos años se espera que dure ese combustible?

Según https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope "Se utilizan ocho propulsores más pequeños para el control de actitud: la orientación correcta de la nave espacial. [74] Los motores utilizan combustible de hidracina (159 litros o 42 galones estadounidenses en el lanzamiento) y tetróxido de dinitrógeno como oxidante (79,5 litros o 21,0 galones estadounidenses en el lanzamiento).[75]"

"Fue diseñado para transportar suficiente combustible durante diez años,[172] pero la precisión del lanzamiento del Ariane 5 y la primera corrección a mitad de camino se acreditaron con el ahorro de suficiente combustible a bordo, de modo que el observatorio debería poder mantener su órbita durante "significativamente más " que esto."

Pero no dice cuánto de este combustible se esperaba que quedara después de la inserción orbital L2, suponiendo el esperado lanzamiento menos que perfecto del Arianne5 que estaba previsto; Llamemos a este número e para el combustible esperado y llamemos al número a para el combustible restante real con un lanzamiento mucho mejor de lo esperado. Y no dice que se espera que se use mucho combustible anualmente para el mantenimiento orbital JWST y el vertido de impulso ; llame a este número y para el mantenimiento orbital anual previsto. Estos números podrían usarse para calcular cuántos años el lanzamiento más eficiente de Arianne 5 aumentó la vida útil del JWST.

años_ganados ≈ a − mi y

Creo que he leído que la misión planificada esperada de 10 años estaba cerrada por el mantenimiento orbital anual, lo que implicaría:

tiempo_de_vida_planeado ≈ mi y ≈ 10 años
La vida útil limitada de combustible real sería:
real_limited_lifetime ≈ a y años

https://arstechnica.com/science/2022/01/all-hail-the-ariane-5-rocket-which-doubled-the-webb-telescopes-lifetime/

Mike Menzel, dijo que la agencia había completado su análisis de cuánto combustible "extra" quedaba a bordo del telescopio. En términos generales, dijo Menzel, Webb tiene suficiente propulsor a bordo para 20 años de vida.

Aclaro los números que me interesan.
No se quedará sin combustible después de 10 años. La vida útil del diseño de 10 años significa que "no hay posibilidad de quedarse sin combustible, sin importar cuán mal vayan las cosas (dentro de supuestos razonables)". Es decir, la peor inyección posible, muchas maniobras de corrección perdidas, más descarga de impulso, etc. En condiciones nominales, debería durar al menos 15 a 20 años. (sin cita, por lo que no es una respuesta).
@asdfex: Numerosas fuentes citan a Mike Menzel (ingeniero principal de sistemas de misión para el telescopio espacial James Webb) que confirma que, gracias a la inserción precisa de Ariane 5 y las dos quemaduras de corrección, Webb tiene suficiente combustible para su vida máxima de diseño de 20 años. . Desafortunadamente, no he encontrado una fuente de origen, pero Arianespace ha retuiteado varias de esas fuentes de terceros, lo que indica que están de acuerdo con la evaluación. Aquí hay solo un ejemplo: twitter.com/ariane5/status/1479923663881256966
Sí... 20 años corresponden a aproximadamente 6 m/s por año (120 m/s restantes después de 30 m/s para los MCC). Si asumimos una descarga de momento de 2 m/s/año y tomamos al público 2-4 m/s/año para el mantenimiento de la estación, todavía hay una gran variedad de vidas posibles.
También tenga en cuenta que en realidad no "ahorró" combustible. Simplemente no usó nada de la contingencia asignada y se mantuvo en el consumo nominal. Podría haber ahorrado algo de combustible si Ariane hubiera tenido un rendimiento ligeramente superior.
Los números citados parecen aplicarse solo a los propulsores bipropulsores (debido a la relación entre la masa de combustible y la del oxidante); consulte la respuesta a Cómo convertir bipropulsor a delta-v para JWST . La descarga de ímpetu utiliza únicamente hidracina , cuyo presupuesto no está contabilizado en estas cotizaciones, lógicamente. Sin esta información, es imposible estimar el tiempo de vida adicional, ya que puede estar limitado por la descarga de impulso, incluso suponiendo que haya un solo tanque de hidracina. ¡Frustrante!
@asdfex Las suposiciones del peor de los casos (pero aún realistas) llevaron a la vida útil de cinco años que la NASA garantizó al Congreso de los EE. UU. Un lanzamiento realmente malo o un MCC1a realmente malo habría resultado en una investigación del Congreso. El objetivo de diseño de vida útil de diez años utilizó suposiciones nominales, pero aún con algunas dispersiones. Aparentemente, las cosas fueron tan bien con el lanzamiento y con MCC1a que incluso se espera que se supere ese objetivo de diseño de diez años. Como es el caso con su comentario, sin cita, por lo que no es una respuesta.
@Sheldon Citó el artículo de wikipedia fuera de contexto, y el artículo de wikipedia en sí mismo citó las fuentes de la NASA que usó fuera de contexto. Los dos propulsores utilizados para MCC1a y MCC1b utilizaron hidracina y tetróxido de dinitrógeno, al igual que los dos propulsores que se utilizarán para la inserción y el mantenimiento de la órbita. Los ocho propulsores utilizados para el control de actitud y la descarga de impulso son propulsores monopropulsores que utilizan únicamente hidracina. Son los cuatro propulsores grandes los que son propulsores bipropulsores.
@DavidHammen Recuerdo haber visto una tabla que sugería que todos los parámetros de lanzamiento eran, de hecho, muy cercanos a los nominales, por lo que no veo cómo se podría haber ahorrado combustible en comparación con un consumo nominal.
@asdfex Como escribí, "El objetivo de diseño de vida útil de diez años utilizó suposiciones nominales, pero aún con algunas dispersiones". Solo un tonto asume que todo va a ser perfecto en la planificación de la misión. Hay una diferencia entre "perfecto" y "nominal". Por lo que he leído, el lanzamiento fue casi perfecto, al igual que la quema de MCC1a. No hay fuentes con números, que es lo que quiere el OP.
@DavidHammen, otros, parecen 6 m/s, de los cuales 2-4 m/s por año son para el mantenimiento de la estación y usan ambos combustibles. Pero la descarga de impulso se ve penalizada por el uso de un solo combustible, y probablemente tiene un menor v mi también porque también porque usar solo hidracina debería ser menos eficiente. Gracias por la info!
@DavidHammen Ambos queremos decir lo mismo, pero usamos los términos de manera diferente. Cuando digo "[punto] nominal", es su "[punto] perfecto" que se encuentra dentro de su "[rango] nominal", que yo llamaría "variación esperada".
¿Supongo que la descarga de impulso se puede minimizar eligiendo creativamente los objetivos de observación y la orientación de JWST para aprovechar la presión de la radiación solar para eliminar la acumulación de impulso?
Su suposición de que la descarga de impulso se puede optimizar (según las tareas científicas y su secuencia en el tiempo) puede ser correcta, pero no ayuda a responder su pregunta. Su pregunta es cuánto tiempo de vida adicional han ganado ellos (NASA), como resultado del lanzamiento real y las correspondientes ejecuciones de corrección a mitad de camino (MCC). De los 66,5 m/s presupuestados para MCC (de un presupuesto total de 150 m/s), los tiempos de combustión publicados indican que solo se utilizaron ~ 20 m/s. Esto es indicativo de cuánto margen tienen, para exceder el requisito de 10 años, con respecto al propulsor solo para el mantenimiento de la órbita .
@asdfex (y David Hammen), corríjame si me equivoco, pero cuando se le pide que diseñe algo que cumpla con X y tiene un σ de incertidumbre, entonces, como ingeniero, dimensionas tu algo en X+ σ , al menos, o X+ σ ∗ 3 si eres un ingeniero "consciente".
@NgPh Apilar el peor de los casos sobre el peor de los casos ... sobre el peor de los casos, y hacerlo de la peor manera posible resulta fácilmente en un vehículo de lanzamiento que no puede lanzar o una nave espacial que no puede alcanzar sus objetivos. En cambio, lo que hacemos es montones (y montones, montones) de análisis estadísticos (p. ej., Monte Carlo, Markov Chain Monte Carlo, bootstrap, jackknife, ...) para determinar comportamientos, por ejemplo, en el nivel de tres sigma. La industria no espacial ha ido mucho más allá y se está moviendo hacia procesos Six Sigma. La exploración espacial no está ni cerca de Six Sigma.
@David Hammen (y adsfex), estoy de acuerdo, pero ese no es mi punto. Mi punto es que los 150 m/s (o aproximadamente 280 kg) de combustible que se cargó de hecho no son para un período de 10 años "nominal". Corresponde a 10 años + margen de ejecución . Por lo tanto, incluso sin la precisión real del lanzamiento de Ariane , la cotización de 10 años, ya que es un requisito del usuario (es decir, no para la apreciación de los implementadores), no es un "máximo" ni el centro del rango de incertidumbre. Así es como la gente trabaja en el espacio (no tengo experiencia con otras industrias). Si "debe cumplir con X", entonces nominal = X + margen.

Respuestas (1)

Las tres quemas de corrección de curso de MCC, que se enumeran en este blog de la NASA y este blog de la NASA, han totalizado 24.4 metro s combustible utilizado hasta el momento, en quemas que suman 79,5 minutos.

  • 25 de diciembre de 20 metro s , 65 minutos
  • 27 de diciembre, 2.8 metro s , 9,5 minutos
  • 24 de enero, 1.6 metro s , 5 minutos

JWST comenzó con 150 metro s valor del combustible del propulsor del telescopio James Webb; ¿Límites de la vida útil del propulsor? , de los cuales 2-4 metro s se espera que se utilicen anualmente para el mantenimiento de la estación. Una estimación de simulación de Monte Carlo fue: 2.43 metro s uso de mantenimiento de estación anual; Telescopio James Webb; ¿Límites de la vida útil del propulsor? , y mantenimiento de estaciones ... Telescopio espacial James Webb

Según mis matemáticas, esto deja a JWST alrededor de 125 metro s valor de combustible restante tanto para el mantenimiento de la estación como para la descarga de impulso, que es lo suficientemente bueno para 20 años de vida útil limitada del combustible dado un uso anual de combustible límite superior razonable de 6 metro s .

Finalmente, está esta cita: "Se espera que el primero, MCC-1a, sea una quema prolongada y continua (potencialmente hasta 3 horas) realizada aproximadamente doce horas después del lanzamiento"; Corrección de medio curso JWST . Si el total de las tres quemas de MCC resultó ser 190 minutos en lugar de 80 minutos, entonces, según mis cálculos, el lanzamiento preciso de Arianne ahorró 110 minutos de quema de MCC, lo que equivale a 34 metro s , lo que aumentó la vida útil de JWST en al menos seis años, y tal vez hasta diez años. Por supuesto, una quema de 3 horas probablemente sería el peor de los casos , pero dada la imprevisibilidad de los vehículos de lanzamiento, tal escenario tenía que considerarse realistamente posible...

Un último enlace de la NASA que encontré también afirma que JWST tiene 20 años de combustible en lugar de 10 años de combustible. NASA: Webb llega a la órbita de L2 . La vida útil de JWST probablemente no estará limitada por el combustible...

Estoy de acuerdo. Mi respuesta a su pregunta vinculada es "Conclusión: mi mejor estimación actualmente es 150 - 67 = 83 y 83 / (2 a 4) = 41 a 21 años".
lo que me sorprende es lo pequeñas que son realmente las maniobras de mantenimiento de la estación. La quema de hoy asciende a sólo 1,6 metro s , o 3,4 mph, y el mantenimiento de la estación anual total podría ser solo de 2,5 metro s , que es de solo 5,6 mph. Estos son números diminutos en comparación con los Δ V desde el puerto espacial de Guayana a L2 que podría ser 12.5 k metro s o 28000 mph cuando se incluye la resistencia atmosférica.
Sí, cada dos semanas durante ~seis meses significa doce empujones por órbita, pero ciertamente son empujones relativamente pequeños. Me pregunto cuánto más bajo podría ser si se olvidaran de que es un observatorio astronómico y optaran por el plan delta-v mínimo absoluto. Tal vez con el protector solar más activo como propulsor adicional, podría llegar a ser realmente bajo.
¿Cuánto combustible ahorró JWST debido a un lanzamiento preciso y cuánto quedará después de la órbita L2?
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