¿Cuánto más caros son los instrumentos científicos para uso espacial?

Prefacio: Estoy lejos, lejos de ser un experto en electrónica espacial; No creo que pueda opinar sobre cuánto son realmente estos sensores , que es la pregunta del título; todo lo que puedo ofrecer es una divagación sin educación sobre adónde podría ir ese dinero.

Tomemos su analogía de un sensor térmico de ganga; en realidad, vamos a especificar una parte común de Melexis .

En primer lugar, notará que la hoja de datos dice que el sensor se caracteriza entre -40 y 125c. El viaje a marte tendrá ciclos térmicos masivos durante meses... ¿funcionará el sensor fuera de ese rango de temperatura? Si es así, ¿qué tan lejos? ¿Cuál es la probabilidad de que la lente se rompa por debajo de -40c? ¿Qué tan preciso será?

Responder a estas preguntas probablemente llevará algunos meses en una cámara de ciclos térmicos y un ingeniero o científico debidamente calificado, ninguno de los cuales es barato (especialmente para un contratista del gobierno). Esta prueba por sí sola puede costar $10-50k. Uno podría descuidarlo, pero es casi seguro que tendrá un sensor no funcional al llegar al planeta rojo.

Supongamos que se le ocurre la brillante idea de mantener controlada activamente la temperatura del sensor, como lo hacen la mayoría de los sistemas de naves espaciales.

Ahora no solo tiene 4 cables que van a su sensor; usted tiene termistores, calentadores, y necesita un sistema de control de temperatura que esté lo suficientemente endurecido como para que un bloqueo de software no tome su pobre pequeño bolómetro (y todos los demás sensores en ese apéndice) hasta 600K.

Para esto, necesitará ingenieros de software incorporados, gente de FEA térmica para diseñar sus radiadores, la participación de la industria para construir esos elegantes calentadores personalizados (que ahora lo llevan a los peligros de contratar gastos generales), etc. Todas estas personas experimentadas fácilmente te cuesta >300k cada uno; recuerde que un empleado generalmente cuesta alrededor del doble de su salario.

Ahora considere ejecutar estas pruebas en:

• desgasificación; esos otros científicos con otros sensores podrían enojarse un poco si encuentran algo de su detector IR depositado en sus espectrómetros y reflectores y demás.
• Tolerancia a la radiación; ¿Cómo se degradará el sensor bajo el bombardeo constante de partículas cargadas y rayos cósmicos en el duro vacío intermedio?
• y docenas y docenas de otros parámetros tediosos y costosos.

De ahí vienen los órdenes de magnitud. Esencialmente, el costo del sensor provendrá de los humanos necesarios para mirar fijamente al sensor durante un tiempo.

Por otro lado , ciertamente existe un mercado floreciente para naves espaciales más baratas y sencillas, con menores requisitos para todo lo anterior. Para misiones baratas de corta distancia, como CubeSats, donde una misión de reemplazo no sería excesivamente objetable, la gente sí usa sensores COTS; un proyecto incluso usó un teléfono inteligente estándar completo para alimentar su satélite.

Sin embargo, con viajes de mayor distancia, donde las soluciones más simples y menos caracterizadas tienen muchas probabilidades de fallar, y quizás donde el peso de los requisitos de la burocracia de financiación para el éxito es mayor, los diseñadores irán a lo seguro y gastarán un poco de dinero extra.

Intervendré con las otras dos respuestas bien establecidas. Además de todas las pruebas, está la cuestión de "¿Qué se hace cuando el instrumento no pasa una prueba?"

La mayoría de los instrumentos COTS (Commercial Off-The-Shelf) que puede obtener en Home Depot o incluso en Omega Engineering están diseñados para funcionar en un entorno terrestre, con cierto margen. Pero no demasiado margen; eso hace que el instrumento sea más caro que el de los competidores, y eso hace que se pierdan negocios. Tenga en cuenta que el instrumento Melexis @Giskard42 mencionado tiene un rango de -40 a +125 C. Puede obtener temperaturas más bajas aquí en la superficie de la Tierra. ¡ Marte se vuelve mucho más frío que eso por la noche!

Los ingenieros de Melexis, a quienes sin duda se les consultaría al principio del proceso, dirían de inmediato que para manejar las temperaturas de Marte sin agregar calentadores, algunos de los componentes tendrían que ser reemplazados por piezas más resistentes y más caras. Pero el costo de esas partes palidece en comparación con el costo del rediseño necesario para incorporar las partes. Rara vez la parte más resistente se comporta exactamente como la original, o se ajusta donde estaba la original, por lo que incluso si el rediseño termina siendo innecesario, las características operativas deben volver a analizarse y probarse. Agregar calentadores también sería un rediseño.

La calificación térmica es solo una parte de la calificación espacial , un proceso bastante largo que la NASA requiere para el hardware destinado a usarse en todas las misiones de vuelo espacial de la NASA, excepto en las más pequeñas. Pero a menudo no es la parte más difícil para el hardware COTS.

@ Giskard42 ya mencionó la tolerancia a la radiación. Para misiones interplanetarias, esa suele ser la parte más difícil para el hardware COTS. Los microcircuitos modernos (como los ADC), con tamaños de características exquisitamente pequeños, son sensibles a los efectos de la radiación de fuentes como los rayos cósmicos primarios y la radiación solar, especialmente los protones solares. Un solo golpe puede causar alteraciones de un solo evento, cambios de bits e incluso los temidos bloqueos. El hardware apto para vuelos debe demostrar (a través de pruebas) un cierto nivel de tolerancia a la radiación, lo que a veces requiere subensamblajes o componentes redundantes, que no encontrará en un instrumento estándar. Las piezas o componentes COTS no modificados a menudo fallan en las pruebas de radiación y eso generalmente significa un rediseño, y eso es costoso.

Todos estos procesos pueden convertir rápidamente un instrumento de 5 dólares en un instrumento de 50 kdólares, o incluso un instrumento de 500 kdólares si nadie más quiere una versión calificada para el espacio de este widget.

Pero comprar el instrumento calificado para el espacio no es el final de la historia del dinero. También tiene que pagar a los ingenieros de la nave espacial que tienen que hacer el alojamiento de los instrumentos .. ¿Es su instrumento el único que requiere +9 V CC en lugar de los 28 V CC estándar de las naves espaciales? Luego, paga a un ingeniero para que diseñe un subconjunto de alimentación de 9 V en el sistema de alimentación de la nave espacial y para diseñar y ejecutar esa parte del arnés de cables. También pagará a un ingeniero térmico para que verifique que el diseño térmico sea adecuado, incluso antes de que vaya a la mesa vibratoria (como mencionó @PearsonArtPhoto) y a la cámara de vacío térmico. ¿Su instrumento generará señales que interfieran con otros sistemas de naves espaciales? Un ingeniero capacitado en EMI examinará esto. Hay un equipo de instrumentos por el que pagas, y un equipo de naves espaciales por el que paga el proyecto, guiando este proceso hasta el final. Para una pieza de hardware económica, esta es la parte más cara.

En mi experiencia con Voyager, Cassini, Génesis y Rosetta, y muchos estudios y propuestas de conceptos de misión, he visto algunos instrumentos para misiones interplanetarias que cuestan millones de dólares de un solo dígito, pero no muchos. La mayoría son decenas de millones de dólares, y los realmente complejos pueden agregar otro cero a eso. Me encantaría saber cuánto cuesta el instrumento Kepler, pero un investigador privado suele tener cifras de desglose de costos para misiones completadas muy cerca del cofre.

Una nota final. En la década de 1990, bajo la dirección de Dan Goldin como administrador de la NASA, la NASA probó el enfoque de volar misiones a bajo precio, para hacer volar más misiones. Pero una serie de fallas vergonzosas que resultaron (como Mars Polar Lander y los impactadores instrumentados DS-2 que llevaba) pusieron fin a ese enfoque y Dan renunció poco después. La NASA es bastante intolerante con los fracasos, especialmente en misiones altamente visibles (para el público y para el Congreso) y costosas, y está dispuesta a gastar mucho dinero para evitarlas.

Solo para darle una idea, así es como podría desglosarse el costo.

La versión COTS deberá desarmarse para sobrevivir a las pruebas de vibración, junto con el material agregado. Necesitará tener algún tipo de software escrito para enviar los datos a la nave espacial. Será necesario realizar algunas pruebas para ver si el instrumento funcionará en Marte. El problema térmico realmente tendrá cierta importancia, deberá probarse para garantizar que funcione en Marte. Es posible que sea necesario aplicar algo de calor, o mantas térmicas, o algo así. Además, no olvidemos que el plástico deberá desaparecer, ya que es una fuente potencial de desgasificación.

En pocas palabras, tal instrumento podría funcionar bastante bien, pero podría hacerse. Pero probablemente necesitaría al menos 1 año-hombre de ingeniería para llevar el instrumento a la nave espacial. A una tasa estándar de tal vez $ 300K, ahí es donde estará la mayor parte de su dinero.

¿Y qué ganarías realmente? De hecho, tenemos mapas térmicos de Marte. http://tes.asu.edu/monitoringmars/index.html . La precisión es de unos pocos grados. No es probable que la temperatura varíe tanto de un punto a otro. Pero en teoría se podría hacer.

Un factor de precio de " uno a un millón " no es demasiado loco si lo piensa: su termómetro de bolsillo probablemente se fabricó en más de un millón de copias. El termómetro espacial se hace solo una vez (o cinco veces, como máximo). De ahí la relación de costos.

Agregue a eso el loco control de calidad y el papeleo exponencial que implica, y obtendrá una imagen.

Un factor más que nadie ha tocado hasta ahora. Aquí en la Tierra no estamos demasiado preocupados por el uso de energía en la mayoría de los instrumentos. La energía es barata, rara vez vale la pena hacer mucho para reducir el consumo de energía.

Sin embargo, en un cohete, la energía proviene de celdas solares (y hay que pagar para levantarlas y las baterías para cuando están protegidas del sol) o baterías nucleares (y el Pu-238 para ellas es críticamente bajo). suministro, sin mencionar el peso de levantarlo).

También tienes que preocuparte por lo que sucede con ese poder. Aquí generalmente se arroja a la atmósfera cuando terminas con él. La mayoría de las naves espaciales no operan en la atmósfera, por lo que deshacerse del calor residual es un problema mucho mayor.

Solo quería señalar que el Mars Pathfinder funcionaba con una CPU 8085. Que fue lanzado originalmente en 1976 y se utilizó porque era un producto producido en masa.

Hay muchas ventajas en el uso de tecnología producida en masa. Obtiene la evidencia estadística de confiabilidad de los muchos clientes que la usan.

Los ingenieros pueden "a prueba de espacio" más fácilmente una tecnología existente agregando/eliminando/actualizando componentes, y luego diseñando una alternativa completa como única.