¿Por qué JWST no usa propulsores de iones?

Dado que el punto L2 es inestable, JWST necesita motores para mantener su órbita. Utiliza motores monopropulsores que le han dado una vida útil mínima de 5 años.

¿Por qué no se usaron motores iónicos en su lugar? ¿No proporcionarían mucho más Delta-v por la misma masa de combustible?

¿No son lo suficientemente confiables? ¿O es simplemente demasiada complejidad extra?

¡ Creo que esta es una excelente pregunta! Como seguimiento, creo que podría preguntar a continuación: "¿Cómo se compararían los propulsores convencionales con la propulsión eléctrica para el mantenimiento de la posición de un telescopio espacial en una órbita de halo Sol-Tierra? ¿Cuáles serían las ventajas y desventajas de un sistema que se está diseñando hoy?"

Respuestas (2)

Dado que el punto L2 es inestable, JWST necesita motores para mantener su órbita. Utiliza motores monopropulsores que le han dado una vida útil de 10 años (máximo).

El JWST utiliza motores bi-propulsores (hidracina y tetróxido de dinitrógeno) para realizar correcciones a mitad de camino en el camino a la pseudoórbita Sol-Tierra L2, para realizar la inserción de la órbita en esa pseudoórbita y para realizar maniobras de mantenimiento de la órbita. Solo utiliza motores monopropulsores para maniobras de actitud aproximada y desaturación de la rueda de reacción.

Las correcciones a mitad de camino, la inserción de la órbita y las maniobras de mantenimiento de la órbita requieren una buena cantidad de delta V que se puede entregar rápidamente. Incluso un motor de hidracina monopropulsor no sería suficiente. Agregar motores monopropulsores y un poco más de hidracina para el uso de esos motores monopropulsores aparentemente tenía más sentido en el diseño inicial que agregar un conjunto completamente nuevo de tanques y propulsores para motores iónicos.

Si bien se pueden cambiar algunas decisiones iniciales de diseño, los propulsores se encuentran entre los muchos elementos de una nave espacial que están prácticamente congelados desde el primer día. Además, ese diseño inicial ocurrió hace unos 20 años, cuando los propulsores de iones acababan de pasar la etapa experimental. Y ciertamente no iban a cambiar a propulsores de iones. Deep Space 1 se lanzó en diciembre de 1998 y funcionó, más o menos. DS1 tuvo problemas significativos y no fue un éxito total. Sus propulsores de iones no funcionaron al principio y el vehículo se desempeñó mal en algunos sobrevuelos planificados.

Es posible que en otro mundo los diseñadores del JWST pudieran haber modificado su nave espacial 20 años después del diseño inicial para usar propulsores de iones para algún aspecto del control del vehículo. Por otra parte, también podrían haber rediseñado el vehículo para usar computadoras más modernas, paneles solares más modernos, etc. No lo hicieron en parte debido a la inmensa cantidad de conservadurismo que se cuece en el diseño de naves espaciales.

Si bien SpaceX le ha demostrado a la NASA que tiene sentido ser un poco más ágil (quizás mucho más ágil), eso sucedió hasta bien entrada la fase de construcción del JWST. El JWST es un excelente ejemplo de exploración espacial realizada a la vieja escuela, con el precio concomitante de exploración espacial de la vieja escuela.
Me gustaría entender la "inmensa cantidad de conservadurismo incorporado en el diseño de la nave espacial". ¿Solo un ejemplo típico?
@NgPh JWST, por ejemplo. Los rovers de Marte, por otro. Los rovers enviados recientemente a Marte usan computadoras del milenio anterior, y esas computadoras del milenio anterior se reducen para funcionar aproximadamente la mitad de rápido que sus equivalentes del lado terrestre. Por otro lado, el helicóptero de Marte, que tiene un estado experimental más que operativo, usa (casi) cosas nuevas.
Lo siento, pero estaba buscando un ejemplo "integrado" en el JWST.
@NgPh El JWST siguió el paradigma tradicional de revisión de requisitos/revisión de diseño preliminar/revisión de diseño crítico/.../revisión de preparación para el vuelo. Eso es cascada, al enésimo grado. Hay muy poco retroceso desde conceptos muy tempranos en ese paradigma.
Ese proceso de garantía de calidad no me dice qué parte del JWST es "inmensamente conservador". Eso es lo que (en tiempo, precisión, ...) la comunidad científica que va a utilizar el telescopio podría ganar si la NASA hubiera tomado la decisión audaz de cambiar de tecnología en algunos hitos de revisión (para ser más "ágiles" en sus términos)?
@NgPh Escribí "Ágil", no "ágil". Agile se concibió inicialmente hace unos 20 años como una forma de escapar de la cascada para el desarrollo de software. En los últimos siete años, más o menos, el concepto se ha extendido mucho más allá del desarrollo de software. Waterfall (por ejemplo, un proceso que sigue al paradigma de revisión de requisitos/revisión de diseño preliminar/.../revisión de preparación para el vuelo) es inherente e inmensamente conservador. SpaceX es muy ágil (y muy ágil). Algunas compañías espaciales antiguas han adoptado algunos aspectos de Agile, pero siguen siendo poco ágiles. No se garantiza si Agile hace que una organización sea ágil.
@NgPh La respuesta TL; DR a ese proceso de control de calidad no me dice qué parte del JWST es "inmensamente conservador". es cada bit. El conservadurismo está incorporado. Es totalmente posible construir algo que sea "mejor" en casi todos los aspectos simplemente renunciando a la fantasía de poder prever todos los errores desde el primer día, que es la esencia del modelo de cascada.
Esto se está haciendo largo, pero observo que opones, en consideraciones generales, un proceso de desarrollo rígido y uno flexible, este último tomado del mundo SW. No estoy en condiciones de defender ninguno en particular. Tengo curiosidad por saber si puede citar un beneficio típico y bien definido para los "usuarios finales" (los astrofísicos, para JWST), si la NASA hubiera optado por la flexibilidad. Tenga en cuenta que E. Musk ha explotado con éxito la flexibilidad en el diseño de productos cuando él es básicamente su propio cliente y, además, obtuvo ayuda financiera de instituciones gubernamentales, mientras era un único punto de toma de decisiones.
@NgPh El JWST es en sí mismo un excelente ejemplo de los problemas con un proceso de desarrollo rígido (también conocido como cascada). Ha sufrido un aumento de ocho o diez veces en el costo y se lanzará más de una década más tarde de lo planeado originalmente.
@NgPh, la idea detrás de Agile es que es mucho mejor tener una tasa de falla del 50 % a 1/10 del costo que una confiabilidad del 99,999 %. Con el primero, puede permitirse realizar 10 lanzamientos y obtener una mayor confiabilidad en general.
Las quemaduras de mantenimiento de la órbita son las quemaduras menos instantáneas imaginables. En mi humilde opinión, la proporción de masa adicional para los propulsores de iones para el mantenimiento de la órbita no compensa a JWST, mientras que, en general , la teoría de la pregunta es correcta y sería beneficioso utilizar propulsores de iones.
@OscarSmith, la filosofía Agile es relativamente nueva y solo ha sido válida para vuelos espaciales MUY recientemente. El costo de llevar cualquier cosa al espacio sigue siendo alto (por kilogramo), pero ahora es mucho más bajo que en el pasado. Para un telescopio de 6 toneladas métricas, si el lanzamiento cuesta $ 10,000/kg, entonces gastará al menos $ 60,000,000 solo en el combustible y el vehículo de lanzamiento. En ese momento, gastar algo de tiempo y dinero extra para mejorar sus probabilidades de una misión exitosa tiene más sentido y requiere que cada parte sea 99.9999% más confiable, lo cual es costoso. A medida que bajan los costos de lanzamiento, ese umbral cambia a favor de Agile.

La respuesta de @DavidHammen contribuye en gran medida a responder, especialmente porque el bus del telescopio espacial se finalizó hace mucho tiempo cuando la propulsión iónica era mucho menos una tecnología confiable probada a largo plazo.

Dice:

...y las maniobras de mantenimiento de la órbita requieren una buena cantidad de delta V que se puede entregar rápidamente .

Es posible que no sean lo suficientemente fuertes para recuperarse de una breve interrupción en el mantenimiento de la estación.

Los satélites de comunicaciones en GEO ahora se están volviendo "totalmente eléctricos" para el mantenimiento de la estación y muchos también están haciendo GTO a GEO con propulsión eléctrica.

Entonces, podríamos preguntarnos si el telescopio espacial se diseñara hoy si usaría propulsión eléctrica para mantener la estación o no.

Que la órbita del halo del telescopio espacial es exponencialmente inestable y si se pierden algunas de las maniobras bimensuales de mantenimiento de la estación por alguna razón, puede ser cada vez más difícil que el empuje bajo pueda devolverlo a la estación.

Una vez que la aceleración que se aleja de la órbita del halo a lo largo del colector inestable excede la aceleración proporcionada por los propulsores eléctricos (que siempre es bastante pequeña), todo se pierde y se moverá en espiral hacia una órbita heliocéntrica.

No hay analogía con esta inestabilidad exponencial en el mantenimiento de la estación de los satélites de comunicaciones en GEO. Estos están muy bien unidos gravitacionalmente a la Tierra, y no se desviarán hacia una órbita heliocéntrica si se dejan desatendidos.

Pero espera, ¡hay más (peso)! (potencialmente)

La pregunta considera que el peso del propulsor de propulsión iónica es menor que el de los propulsores propulsores convencionales, pero los propulsores iónicos tienen imanes pesados ​​y fuentes de alimentación para producir el plasma.

Es muy posible que una vez que el sistema de propulsión eléctrica completo esté diseñado y pesado, uno lo suficientemente fuerte como para devolver al JWST a su órbita de halo si se pierden algunas iteraciones bimensuales de mantenimiento de la estación, no termine siendo más liviano.

@OrganicMarble pero olvidé mencionar la demanda de energía eléctrica que en realidad puede convertirse en el último clavo en el ataúd de la propulsión eléctrica. Con suerte, el OP (o alguien) solicitará el seguimiento mencionado aquí y luego alguien podrá sacar sus sobres esféricos de vaca y resolver el problema de manera semicuantitativa. Apuesto a que los paneles solares tendrán que ser mucho más grandes y tal vez también contribuir con más presión de fotones solares, lo que podría ser algo malo o bueno considerando cómo utiliza este empuje como parte del mantenimiento de la estación.
"Es muy posible que una vez que el sistema de propulsión eléctrica completo esté diseñado y pesado, uno lo suficientemente fuerte como para devolver al JWST a su órbita de halo si se pierden algunas iteraciones bimensuales de mantenimiento de la estación, no termine siendo más ligero". - Tal vez no más ligero , pero sí mucho más duradero .
@Vikki buen punto! Ya me disparé en el pie allí; Estaba tratando de ser cauteloso y no decir "mucho más pesado que" directamente.
El proceso tradicional de diseño, desarrollo e implementación de naves espaciales sigue el modelo en cascada bastante obsoleto, que no está cerca de ser ágil. El desarrollo de naves espaciales podría ser mucho más ágil, pero eso requeriría cambios masivos en la forma en que la NASA y la ESA hacen negocios.
No entiendo la relevancia de estas discusiones: ¿por qué no hacer que dure más, por qué no hacer que sea más ligero, ...? Ya hay tantos "primeros" (y puntos de falla correspondientes) en los instrumentos científicos y elementos de la plataforma de JWST (por ejemplo, el parasol). La vida útil de la misión está limitada por estos riesgos. La tecnología y el tamaño del propulsor y el propulsor no son críticos en todos los aspectos. No se parece en nada a un satélite GEO tradicional, donde la masa propulsora es casi la mitad de la masa húmeda del satélite en el lanzamiento y, por lo tanto, el EP cambia las reglas del juego.
@NgPh aquí está mi suposición; para las personas que se sienten fuertemente acerca de "¿Por qué no hacer que dure más?" Creo que miran los 30 años de increíbles contribuciones del Hubble, y lo que se aprendió durante esas décadas lo hizo aún más indispensable para las observaciones posteriores; su valor aumenta con el tiempo. Dado que el nuevo telescopio espacial cubre un rango de longitud de onda totalmente diferente, anticipan lo mismo. ¡Es difícil para la gente imaginar que un telescopio de $ 10,000,000,000 morirá y será descartado en solo 1/3 del tiempo que Hubble ha vivido hasta ahora por falta de alrededor de 200 kg de combustible, por diseño !
@NgPh para muchos puede parecer como comprar una computadora portátil costosa con una batería potente pero no recargable, no reemplazable y sin cable de alimentación; cuando la batería se agota, no tienes más remedio que tirar todo a la basura.
@uhoh, no cuando la batería de la computadora portátil está diseñada para durar más, por un factor de dos, y esto con margen , la vida útil esperada de la pantalla y/o el teclado. Los buenos ingenieros optimizan donde es crítico, no donde creen que tienen, aparentemente, una mejor solución. Por cierto, ¿cuántas veces en 30 años se reparó el Hubble? ¿A riesgo de la vida humana?
Solo estoy tratando de abordar por qué algunas personas lo encuentran relevante, no discutir al punto de cualquier manera. Pero si tuviera que hacerlo, diría que si todo sale bien, como la mayoría de las misiones de la NASA, terminará durando mucho más que su vida mínima esperada. Pero no me cites en eso.
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