El diseño de la órbita del halo del Telescopio Espacial James Webb

¿Se ha elegido la órbita de halo de JWST de una "plantilla" de halo estable y, en "términos generales", cuáles fueron las compensaciones entre los requisitos de la misión científica de JWST, el tiempo de vida orbital y el costo de mantenimiento de la estación?

Por "términos amplios", quiero decir que estaría satisfecho con los resultados de un análisis que compare el Delta-v por año, la cantidad de combustible embarcado,... versus la "amplitud/tamaño/excursión" (lo que sea que esto signifique, es hasta para usted) de la órbita del halo y su período. Sería bueno si pudiera tener en cuenta las limitaciones de la red de antenas del espacio profundo (cómo maximizar la visibilidad y vincular las conexiones con la Tierra) y la ventana de lanzamiento.

Esta es una pregunta grande y hermosa y no estoy seguro de poder responderla en su totalidad, pero agregaré mis dos centavos.

No tengo conocimiento de ninguna compensación importante específica de delta-v frente a los requisitos científicos, pero puede haber alguna interacción entre los observadores y los encargados de la estación en relación con la rotación del telescopio alrededor de su eje (ver más abajo). Los límites presupuestarios percibidos ¹ siempre compiten cara a cara con las capacidades científicas y los horarios percibidos ¹ , pero según mi conocimiento actual , los diseñadores del "bus" de los telescopios (navegación, control de actitud, mantenimiento de la estación, administración de energía, administración térmica, etc. ) simplemente se les dio una lista de requisitos y una duración mínima de la misión primaria ² de 10 años y ¡ofrecieron una solución realmente hermosa!

La nave espacial SOHO:

(planificado para 2 años, ahora en su 26º año a pesar de que casi se pierde) es un excelente primer ejemplo instructivo de mantenimiento de posición para una órbita de halo.

Sabemos que las órbitas de halo del mundo real siempre son inestables y deben mantenerse en posición con regularidad. Son exponencialmente inestables, por lo que la deriva de una nave espacial alejándose de su órbita "ideal" de ^{3 halos se acelera rápidamente.} Recuerdo que para SOHO su tiempo de duplicación fue de solo dos semanas. La belleza de las mediciones de retardo doppler con una nave espacial que tiene un transpondedor coherente es que las desviaciones en la posición y la velocidad se pueden detectar en la escala de metros y milímetros por segundo, por lo que uno todavía tiene algunos meses para recuperarse si hay suficiente combustible para hacerlo . lo que hay que hacer.

Según los estándares actuales, SOHO utilizó una estrategia de mantenimiento de la estación relativamente simple. Es un telescopio solar y necesita apuntar al Sol para hacer su trabajo. Tiene un sensor de dirección solar y hardware que mantiene su eje apuntando en esa dirección, y dado que está en Sol-Tierra L1, eso significa que la parte trasera donde están la antena principal y los propulsores principales apuntará aproximadamente en la dirección general de la Tierra .

SOHO se encuentra justo más allá de su órbita ideal, de modo que si no hay mantenimiento de la estación, comenzaría a girar en espiral hacia la Tierra en el colector inestable de la órbita. Eso significa que el mantenimiento de la estación es simple; La Tierra mide su tasa de desviación de su órbita ideal y hacia la Tierra y luego calcula cuántos segundos deben quemar sus propulsores para empujarla hacia el Sol.

¡Es una solución de mantenimiento de estación 1D simple y potencialmente muy eficiente que ha funcionado durante 26 años!

Para obtener más información sobre todo esto, consulte Roberts 2002 y otras fuentes ⁴

El telescopio espacial actual que se discute:

puede beneficiarse tanto de todo el increíble trabajo inicial en misiones basadas en órbitas de halo como de décadas de pensamiento e investigación y mejora de todas las partes de la tecnología espacial que se encuentran en un autobús de nave espacial moderna.

Y en un giro interesante, el hecho de que sea un telescopio infrarrojo ha proporcionado un poco más de magia mecánica orbital para ahorrar combustible.

Al igual que SOHO, su órbita está diseñada para estar siempre un poco más cerca de la Tierra que su órbita de halo ideal. Y al igual que SOHO, será monitoreado constantemente desde la Tierra a través de Doppler de retardo y recibirá instrucciones regularmente de la Tierra para administrar su órbita.

Pero dado que está en L2 en lugar de L1, a diferencia de SOHO, se ubicará un poco más cerca del Sol que su órbita ideal.

Sin embargo, el hecho de que sea un telescopio infrarrojo que requiere óptica fría y sensores fríos logrados con un parasol reflectante multicapa gigante (y enfriamiento radiativo pasivo al espacio) proporciona una fuente de propulsión libre en la dirección que se aleja del Sol y la Tierra (ahora en L2). ) y hacia su órbita de halo ideal. La nave espacial puede jugar los dos efectos uno contra el otro; si se aleja del ideal y se acerca a la Tierra, puede orientar su protector solar más hacia el Sol y aumentar el empuje de fotones solares hacia su órbita. Si se está moviendo demasiado rápido hacia su órbita ideal, puede orientar su parasol de forma algo oblicua a la dirección del Sol, reduciendo el empuje y permitiendo que la mecánica de inestabilidad orbital disminuya su velocidad de deriva.

Pero, ¿cómo puede cambiar la dirección del escudo solar sin cambiar la dirección a la que apunta el telescopio?

Aquí es donde se puede encontrar cierto grado de equilibrio entre la ciencia y delta-v, pero es suave. En muchas situaciones, el telescopio puede simplemente girar alrededor de su eje óptico y aún así hacer la misma observación. Hay un rango de tales rotaciones donde el protector solar puede bloquear el calor del Sol pero variar la dirección de la luz reflejada y así modular la magnitud del empuje de fotones a lo largo del eje Sol-Tierra. Para algunas observaciones, la flexibilidad puede ser menor que para otras, pero estas cosas se manejarán en detalle como parte de las fases de propuesta y programación de la observación.

En resumen, parte del presupuesto delta-v se paga sin el uso de propulsor, mediante una maniobra inteligente del parasol del telescopio al girar alrededor del eje óptico del telescopio.

El resto se hará utilizando los propulsores de la nave espacial.

Para obtener más información sobre todo esto, consulte:

• esta respuesta al telescopio James Webb; ¿Límites de la vida útil del propulsor? incluye mucha información sobre el presupuesto delta-v y las variedades estables/inestables
• esta respuesta a ¿Podría JWST quedarse en L2 "para siempre"? cubre más detalles sobre la estrategia y el presupuesto de mantenimiento de la estación del telescopio, y enlaces a Simulación Monte Carlo de mantenimiento de la estación para el telescopio espacial James Webb, de donde proviene la estimación de (¡solo!) 2 a 4 m/seg por presupuesto anual para su componente propulsor a delta -v, a diferencia de su parasol reflectante generado delta-v.
• esta respuesta a ¿Qué le sucede a JWST después de que se queda sin propulsor? sugiere que si todo va bien, es probable que dure más allá de su misión inicial de 10 años, y especula sobre la posibilidad a largo plazo de un reabastecimiento de más propulsor o un propulsor adicional entregado por una misión futura.
• Todas las respuestas a ¿Cómo manejará JWST los efectos de la presión solar para mantener la actitud y la estación mantener su órbita inestable?
• ¿Todas las respuestas a Delta-v de mantenimiento de estación por año para una órbita de halo vainilla Tierra-Luna?

¹ Por supuesto, la precisión de la percepción de los límites en el presupuesto y el cronograma durante la fase de diseño fue inexacta al estilo de Mark Twain (e incluso eso parece una cita errónea 1 , 2 , 3 ).

² Si todo va bien, es probable que el telescopio siga siendo capaz de hacer ciencia mucho más allá de este límite. Entrar en eso es un gran tema para una nueva pregunta si no está cubierto por las preguntas y respuestas existentes.

³ una órbita de halo "ideal" podría ser la que tiene una cantidad mínima de delta-v para mantenerse en posición. No hay una definición exacta.

⁴ Hay mucho material sobre SOHO en y los documentos relevantes aquí son

Hay una página de documentos de recuperación o puede leer sobre ello en Aerospace America, mayo de 1999: Saving SOHO o el artículo de FC Vandenbussche SOHO's Recovery de ESA: una historia de éxito sin precedentes o para obtener más detalles técnicos; Roberts 2002 La misión SOHO L1 Halo Orbit Recovery de las anomalías de control de actitud de 1998 .

con especial énfasis en Roberts 2002.

Mi pregunta se basó en mi suposición de que los diseñadores de JWST eligieron una órbita "ideal" como objetivo. Además, pensé que su conductor clave sería el combustible necesario para el mantenimiento de la estación. A partir de esto, una deducción lógica sería que este objetivo ideal, si existe, sería una órbita que no requiere ningún tipo de mantenimiento de posición, cuando las perturbaciones del mundo real se desprecian en un primer paso. Luego, se diseñaría una estrategia de mantenimiento de la posición para encargarse de estas perturbaciones, que de todos modos se supondrían pequeñas en comparación con las fuerzas principales incluidas en el modelo ideal utilizado para derivar la órbita de "mantenimiento de la estación cero".

Mi pregunta también supuso que JWST sería lanzado y maniobrado para seguir una órbita de halo. Esto se debe a una discusión anterior, siguiendo la pregunta de @uhoh ¿Son algunas órbitas de Halo realmente estables? , confirmó que existe una familia de órbitas de halo estables en Tierra-Sol L2, al menos teóricamente. Esta clase de órbitas, por pequeñas que sean, pensé, representarían el punto de partida para el diseño de la órbita JWST.

Tenga en cuenta que, a diferencia de ISEE-3 que se mantuvo en una órbita L1 durante solo 4 años, el objetivo de JWST es de hasta 10 años de funcionamiento. Farquhar nos dijo que ISEE-3 requería 10 m/s/año de Delta-v para el mantenimiento de la estación. El presupuesto de mantenimiento de la estación para JWST no puede exceder los 83,5 m/s de Delta-v (150 m/s en total menos 66,5 m/s para la transferencia a la órbita del punto de libración). Las ruedas de reacción utilizadas para el control de actitud tomarán una parte de este presupuesto Delta-v restante "en órbita".

Investigaciones posteriores que realicé revelaron lo siguiente:

• Los diseñadores de la órbita del punto de libración de JWST no se limitaron a una solución en la subclase de órbitas de halo.

Esta información está disponible en la página de órbita de la página de inicio de documentación del usuario de JWST . La página tiene una oración que dice:

La forma de la órbita L2 no está restringida, por lo que las órbitas de toro, las órbitas de halo o las órbitas de Lissajous son aceptables y están determinadas principalmente por la hora del día y el día del año del lanzamiento.

Posponiendo por el momento los detalles sobre lo que significan exactamente estas 3 clases de órbitas ("torus", "halo" y "Lissajous"), podemos llegar ya a la conclusión de que los diseñadores de JWST no se limitaron a la clase de órbitas de halo, ni a ninguna otra subclase. Más bien, cualquiera de las clases mencionadas tiene un miembro que cumple con los requisitos de la misión, incluido el mantenimiento de la estación de 10 años. Además, aprendemos aquí que cuál de las 3 clases será la real seguida por JWST está determinada principalmente por la época de lanzamiento.

El artículo de J. Brown, J. Petersen, B. Villac y W. Yu (2015) Variaciones estacionales de JWST Orbital Dynamics brinda detalles adicionales sobre esta dependencia. Aquí aprendemos que para cada día hay una ventana de lanzamiento que comienza a las 11:30 UTC y finaliza a las 14:00 UTC. En particular en la página 6, se puede leer:

Las órbitas de Lissajous son comunes al principio de la ventana de lanzamiento, transformándose lentamente en órbitas de halo alrededor de las 13:00 y finalmente convirtiéndose en cuasi-halo al final de la ventana diaria.

(Confusamente, esta página de la NASA dice: la trayectoria de lanzamiento de Webb lo configura en una órbita de halo . Quizás lo que se dice es solo un ejemplo de las muchas trayectorias de lanzamiento posibles y la declaración se tomó fuera de contexto)

Observe que, a lo largo del artículo de Brown, en ninguna parte podemos encontrar una mención de "órbitas de halo estables", ni podemos encontrar una mención de una órbita de Lissajous estable. Por el contrario, cada vez que se discutió el concepto de estabilidad en el documento, se usó junto con el término "múltiple" . Por ejemplo, en la página 13, se puede leer:

La figura 13 presenta ejemplos de trayectorias en la variedad estable de una órbita de halo. Otros LPO tienen variedades estables correspondientes , incluidas órbitas cuasi periódicas.

Una variedad estable/inestable para una clase de órbitas con una geometría dada no es sinónimo de “órbitas estables/inestables” en esa geometría particular. Mi "conclusión" actual es que, si estamos buscando alguna forma de estabilidad, las tres clases de LPO poseen "variedades estables", y esto "haría el trabajo" según Brown et.al. Hacer el trabajo significa (gracias al comentario de @uhoh) que si la nave espacial está en el colector estable que se conecta a una órbita determinada, tarde o temprano alcanzará esa órbita, sin gastar combustible. Por otro lado, si hay una inestabilidadmúltiple que se conecta a la órbita, una nave espacial en la órbita y ligeramente desplazada por una pequeña fuerza de perturbación de la órbita abandonará la órbita (exponencialmente en el tiempo). Por lo tanto, el trabajo de mantenimiento de la estación es evitar que la nave espacial "entre" sin darse cuenta en una variedad inestable cercana.

• Entonces, ¿cómo lo diseñaron? (¿y quiénes eran?)

Un artículo de David Folta, Steven Foley y Kathleen Howell (2001) Trajectory Design Strategies for the NGST L2 Libration Point Mission , arroja más luz sobre el enfoque utilizado. NGST (Telescopio espacial de nueva generación) es el nombre anterior del JWST.

Primero, recordamos los principales requisitos de la misión NGST (también conocida como JWST) (Tabla 1).

Luego se nos dice que, en lugar del enfoque tradicional del "método de disparo", se explotó uno mejorado basado en la Teoría del Sistema Dinámico (DST). Aquí es donde el concepto de "múltiple" entra en escena, por ejemplo cita (página 4):

Una variedad invariante se define como una superficie n-dimensional tal que una órbita que comienza en la superficie permanece en la superficie a lo largo de su evolución dinámica. Entonces, una variedad invariante es un conjunto de órbitas que forman una superficie. Las variedades invariantes, en particular las variedades estables, inestables y centrales, son componentes clave en el análisis del espacio de fases.

Cómo se definen rigurosamente estos conceptos geométricos (estable/inestable, variedades centrales) y cómo se calculan realmente requiere herramientas matemáticas bastante avanzadas. De hecho, el documento no entra en explicaciones profundas (al menos en mi opinión) sobre estos diferentes tipos de variedades. Sin embargo, el documento reveló algunas limitaciones únicas del diseño orbital JWST. En particular:

• El tamaño de la amplitud Y tiene un gran impacto en Delta-v para la transferencia orbital (Tabla 3): aunque existe una amplitud Y de Lissajous de 400 km, requeriría 123 m/s de transferencia Delta-v.
• Los empujes de mantenimiento de la estación solo están permitidos para alejar al JWST del Sol. Esto es para evitar contaminar el instrumento óptico.
• Estabilidad y mantenimiento de la posición utilizando únicamente maniobras de un solo eje: eje X (no entiendo si esto es un requisito, una viabilidad o una solución deseable)
• Mantenimiento de la estación teniendo en cuenta la Presión de Radiación Solar (SRP) constante.
• No se han presupuestado maniobras para evitar el eclipse.

Esta respuesta parcial obviamente contiene agujeros. Espero que alguien sea capaz de llenar estos.