¿Podría JWST permanecer en L2 "para siempre"?

Según Wikipedia , los requisitos delta-v para permanecer en L1 o L2 son de unos 30-100 m/s por año. Eso parece bastante alto, sin embargo, lo más probable es que esté alrededor de 5-16 m/s. El parasol tiene una superficie de unos 300 m^2. El empuje posible es de aproximadamente 0,00279664 N, suponiendo que sea puramente reflectante. La masa de JWST es de unos 6200 kg. Poniendo todo eso junto, la posible aceleración es de alrededor de 14 m/s por año, no lo suficiente como para mantener la estación. Además, esto supone protectores solares totalmente reflectantes y apuntando directamente al sol. No estoy seguro de cuál sería la dirección real de empuje que se necesitaría para mantenerlo en L2, pero probablemente no sería directo, lo que reduciría aún más esto.

En pocas palabras, podría funcionar, pero requeriría una colocación muy cuidadosa del escudo para mantener la orientación adecuada.

EDITAR: Según alguna información nueva, resulta que mi fuente fue MUY engañosa sobre el tamaño, esas dimensiones eran más del tipo de diamante, y no un rectángulo, lo cual es muy extraño. Este papeltiene información interesante, que muestra que el área está realmente más cerca de los 160 m^2, con un presupuesto de mantenimiento de la estación de como máximo 2,25 m/s por año, teniendo todo en cuenta. Eso significa que sería completamente posible lograrlo. Una de las mayores fuentes de incertidumbre es el movimiento del propio escudo solar; es probable que, si se controlara, podría reducirse significativamente. La capacidad real de mantenerse en posición está más cerca de 6,7 m/s. Dadas las fuentes que dicen que entre 5 y 16 m/s son valores típicos de mantenimiento de la estación, parece probable que, al menos hasta cierto punto, JWST sea controlado por la luz solar, aunque eso es MUY difícil de decir sin un análisis complejo.

Este artículo de Heiligers et al. explora las órbitas de los puntos de libración de la Tierra y la Luna con la adición del empuje de la vela solar. Si bien, por supuesto, no se puede traducir directamente a Sol-Tierra L2 (JWST), la dinámica de las órbitas de los puntos de libración en ambos sistemas es al menos comparable. El estudio muestra que se puede adquirir un aumento en la estabilidad para algunas órbitas (el halo lunar L2 es una de ellas).

Sin embargo, JWST no es una típica nave espacial de vela solar. Estos tienen relaciones área/masa mucho más altas y producirán más aceleración, junto con una masa más baja (supongo que también una inercia más baja), lo que significa que pueden dirigir sus velas de manera mucho más efectiva.

Supongo que las conclusiones del documento también se pueden aplicar al JWST, pero el impacto en la estabilidad probablemente será mucho menor que en el caso de una nave espacial de vela solar normal.

tl; dr: Creo que podría haber espacio para hacer esto. Sin embargo, no creo que se pueda obtener una respuesta concluyente a través de análisis de magnitudes en el dorso de los sobres. Una respuesta real solo provendría de cálculos de Monte Carlo aún más detallados que los ya descritos en Stationkeeping Monte Carlo Simulation for the James Webb Space Telescope . ¡Suena como un proyecto divertido!

Analicemos esto sistemáticamente utilizando datos de buena fuente.

Empuje de la presión de fotones en el parasol

El impulso de un fotón$p$es solo su energía dividida por la velocidad de la luz$E/c=h\nu/c$, por lo que la fuerza resultante en la absorción perfecta de fotones sería

dónde$P$es la potencia total de la luz que incide en el absorbedor, en unidades de vatios, por ejemplo, y$A$es el área del campo de luz entrante que intercepta el absorbedor.

Dado que la vela es reflectante en lugar de absorbente, hay un segundo haz de luz reflejada y una segunda fuerza, y esta tiene una dirección basada en la orientación del espejo. Sin embargo, echemos un vistazo a las magnitudes por ahora.

Wikipedia da la forma del parasol en forma de diamante de aproximadamente 21 por 14 metros (las diagonales). Eso tendrá un área igual a la mitad del producto de las diagonales, o 147 m ^ 2, lo que concuerda muy bien con Stationkeeping Monte Carlo Simulation para el telescopio espacial James Webb .

Como se muestra en la Figura 6, el área efectiva del Sunshield en la dirección hacia el Sol puede variar entre 105 y 163 m², el rango de actitudes permitidas de la nave espacial que evita que el telescopio quede expuesto a la luz parásita.

La constante solar es de unos 1360 W/m^2 a 1 UA, pero el área L2 está un 1 % más lejos, así que usemos

Llegar

La aceleración es fuerza/masa. Usando 6500 kg de Wikipedia :

Un año tiene alrededor de 31,6 millones de segundos, por lo que son 6,3 m/s por año de delta-v disponible en la dirección +z si la sombra apunta principalmente hacia el Sol, y algo menos si se usa un poco de inclinación si la aceleración perpendicular es necesario.

Presupuesto de mantenimiento de estación conocido de JWST

La simulación Monte Carlo de mantenimiento de la estación para el telescopio espacial James Webb nos dice:

Los resultados del análisis muestran que el presupuesto SK delta-V para una misión de 10,5 años es de 25,5 m/s, o 2,43 m/s por año. Este presupuesto SK es más alto que el presupuesto típico LPO SK de aproximadamente 1 m/s por año, pero JWST presenta desafíos que otras misiones LPO no enfrentan. El análisis Endof-Box fue fundamental para la misión JWST, ya que proporcionó un valor realista para el presupuesto SK delta-V cuando fue necesario para establecer un presupuesto de masa completo de la nave espacial.

Por lo tanto, la vela proporciona más del doble de la magnitud del delta-v de mantenimiento de la posición.

SOHO es un ejemplo de una nave espacial en una órbita de halo (alrededor de L1) y según Roberts 2002 (de ¿Así son las maniobras de mantenimiento de la estación, o simplemente fallas en los datos? (SOHO a través de Horizons) ) utiliza una estrategia de mantenimiento de la estación de solo empujando en la dirección z (hacia o lejos del Sol). Sin embargo, la simulación Monte Carlo de mantenimiento de la estación para el telescopio espacial James Webb nos dice:

En dinámica LPO se sabe que el plano xy contiene las direcciones estable e inestable, mientras que la dirección z es neutralmente estable. Debido a que JWST no necesita permanecer cerca de una órbita de referencia, durante las maniobras SK no es necesario empujar en la dirección z, y el vector de empuje se elige para que se encuentre en el plano xy.

Sin embargo, esto no significa que en nuestro patrón de espera de supervivencia en modo no telescópico también necesitaríamos el vector de empuje de mantenimiento de posición (SK) en el plano perpendicular xy, y propongo que en el modo de supervivencia uno podría usar alguna combinación de la modulación de la componente z y la adición de la componente xy mediante la inclinación y el ángulo del parasol dentro de sus límites seguros proporcionará suficiente delta-v y flexibilidad en su dirección para realizar el mantenimiento de la estación.

Conclusiones

• JWST experimentará un delta-v constante de aproximadamente 6 m/s por año debido a la constante presión de fotones de la luz solar que se refleja en su protector solar.
• Si bien esto, por supuesto, ya está calculado en su órbita, esto dará como resultado en su mayoría una órbita de halo ligeramente por delante (hacia el sol) de la órbita de halo alrededor de L1 calculada sin los efectos de la presión de fotones. Aquí, "ligeramente delante de" es probablemente del orden de unos pocos kilómetros o decenas de kilómetros solamente.
• La inclinación agresiva del parasol dentro de límites seguros puede modular la aceleración +z y agregar un componente en el plano xy
• La rotación de la nave espacial sobre el eje +z de la órbita en el marco giratorio con un parasol inclinado dirigirá el componente del empuje dentro del plano xy, aunque probablemente no sea suficiente para compensar los 2,4 m/s por año completos que se obtienen actualmente de la propulsión. maniobras cada 21 días.

Descarga de impulso

No he aprendido mucho sobre cómo descargar el impulso de las ruedas de impulso de JWST utilizando solo la presión de los fotones solares. Las ruedas serán necesarias no solo para mantener la actitud, sino también para ejecutar inclinaciones y rotaciones regulares necesarias para dirigir la presión de fotones para mantener la posición.

Tan pronto como la nave espacial se incline un poco, el centro de la presión fotónica resultante no incluirá el centro de masa de la nave espacial, por lo que habrá al menos algo de torque con el que trabajar .

Es posible que estas maniobras de actitud puedan diseñarse en pares para que sean neutrales en cuanto al momento angular, de modo que se cancelen naturalmente entre sí en términos de rotaciones de las ruedas a lo largo del tiempo.

Opinión

Creo que podría haber espacio para hacer esto. Sin embargo, no creo que se pueda obtener una respuesta concluyente a través de análisis de magnitudes en el dorso de los sobres. Una respuesta real solo provendría de cálculos de Monte Carlo aún más detallados que los ya descritos en Stationkeeping Monte Carlo Simulation for the James Webb Space Telescope . ¡Suena como un proyecto divertido!

La respuesta corta es no. Los puntos de Lagrange son puntos de silla , en términos topológicos. Solo son cuasi estables, pero no realmente estables. La presión de la radiación solar es suficiente para provocar una nutación y una precesión del eje de giro de la nave espacial Wind en el transcurso de un año (forma una elipse en un gráfico polar con un diámetro de aproximadamente 1 grado). Esa fuerza por sí sola empujaría a cualquier nave espacial fuera de su lugar eventualmente, así que no, no podría quedarse indefinidamente.

También hay perturbaciones en los campos gravitatorios que, durante largos períodos de tiempo, también empujarían a una nave espacial fuera de cualquier punto de silla casi estable.

También hay polvo del espacio interplanetario e interestelar que impacta a las naves espaciales a velocidades hipersónicas y provoca pequeñas columnas de plasma . El polvo del espacio interestelar tiene una dirección preferida, por lo que lentamente sacaría cualquier nave espacial de un punto de silla casi estable.

De todos modos, ¿podría ser esta una forma práctica de configurar JWST en "pausa" durante, digamos, 2 años, sin quemar combustible/expulsar masa para mantener su órbita alrededor de L2?

Incluso con una nave espacial que gira, la órbita comienza a decaer exponencialmente después de aproximadamente un mes. El viento realiza solo cuatro maniobras de mantenimiento de la estación por año y cada una solo cuesta ~ 4-10 cm / s de combustible (equivalente a algo así como 0,1 kg o menos). El ACE , en comparación, realiza maniobras cada dos semanas más o menos. La diferencia es que ACE es una rueda giratoria que apunta al sol y Wind es una rueda giratoria eclíptica. ACE necesita apuntar en una dirección específica para comunicarse con la Tierra y porque uno de sus instrumentos de plasma está fallando (así que inclinaron un poco el eje de giro para depender más de los ánodos menos dañados).

Uno podría, en principio, simplemente esperar 9 meses y volver a insertar Viento sobre el punto Tierra-Sol L1, pero cuanto más espere, más caro (en cuanto al combustible) se vuelve. Si esperamos 2 años, Wind (o cualquier otra nave espacial que orbite el punto de Lagrange) estaría en una órbita heliocéntrica alrededor del Sol como la Tierra. Si la nave espacial estuviera en L1 (L2), la nave espacial orbitaría alrededor del Sol más rápido (más lento) que la Tierra. Esto es realmente lo que hace el STEREO .

Entonces no, si JWST no usara combustible durante 2 años, estaría en una órbita heliocéntrica alrededor del Sol.

Nota al margen divertida: El equipo de operaciones de vuelo de JWST ideó un nuevo conjunto de opciones de propulsión para intentar conservar el combustible y, a principios de 2014, nos presentaron su idea a mí y al equipo de Wind . Quieren usar Wind como una prueba para ver si las maniobras del propulsor no solo funcionarían, sino que también ahorrarían combustible.

La forma antigua era empujar solo cuando la nave espacial estaba en la línea Tierra-Sol y los empujes estarían alineados con la línea Tierra-Sol (bueno, lo más cerca posible). La razón es que no desea aplicar un par a su órbita alrededor del punto de Lagrange o su órbita alrededor del Sol. La idea de los equipos de JWST era empujar la línea Tierra-Sol en ángulo con la línea Tierra-Sol. Así que señalé que esto insertaría torques en el sistema y estaba preocupado. Fueron y publicaron un artículo sobre, que se encuentra en doi: 10.2514/6.2014-4304 . Resulta que, debido a que las maniobras solo usan unas pocas decenas de cm/s, los torques serían mínimos y no críticos, así que seguimos adelante. Redujo nuestro costo típico de combustible por maniobra en ~5-10%.

Todavía encuentro esto un poco gracioso porque en ese momento Wind tenía más de 120 años de combustible restante...