El bus de la nave espacial es una caja de fibra de carbono que alberga los sistemas del telescopio y, por lo tanto, es el elemento de soporte principal del telescopio espacial James Webb , lanzado el 25 de diciembre de 2021. Alberga una multitud de componentes informáticos, de comunicación, de propulsión y estructurales. [2] Los otros tres elementos del JWST son el elemento del telescopio óptico (OTE), el módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM) y el parasol . [3] La región 3 del ISIM también está dentro del bus de la nave espacial. La región 3 incluye el subsistema de comando y manejo de datos del ISIM y el crioenfriador del instrumento de infrarrojo medio (MIRI) . [4]
El bus de la nave espacial debe soportar estructuralmente el telescopio espacial de 6,5 toneladas, mientras que pesa solo 350 kg (770 lb). [5] Está hecho principalmente de material compuesto de grafito. [5] Fue ensamblado por Northrop Grumman en Redondo Beach, California en 2015, y luego tuvo que integrarse con el resto del telescopio espacial antes de su lanzamiento planeado para 2018. [6] El bus puede proporcionar una precisión de apuntamiento de un segundo de arco ( 1 ⁄ 3600 °) y aísla la vibración hasta dos milisegundos de arco. [7] El apuntamiento fino se realiza mediante el espejo de guía fina JWST, lo que evita la necesidad de mover físicamente todo el espejo o bus. [8]
El bus de la nave espacial está en el lado "cálido" que mira al Sol y opera a una temperatura de aproximadamente 300 kelvin (80 °F , 27 °C ). [9] Todo lo que esté en el lado que mira al Sol debe poder soportar las condiciones térmicas de la órbita del halo del JWST , que tiene un lado de luz solar continua y el otro sombreado por el parasol de la nave espacial. [5]
Otro aspecto importante del bus de la nave espacial es el equipo central de computación, almacenamiento de memoria y comunicaciones. [10] El procesador y el software dirigen los datos hacia y desde los instrumentos, al núcleo de memoria de estado sólido y al sistema de radio que puede enviar datos de vuelta a la Tierra y recibir comandos. [10] La computadora también controla la orientación y el movimiento de la nave espacial, tomando datos de los sensores de los giroscopios y el rastreador de estrellas , y enviando los comandos necesarios a las ruedas de reacción o propulsores. [10]
El bus es una caja de fibra de carbono que alberga una gran cantidad de sistemas importantes que mantienen el telescopio en funcionamiento, como los paneles solares y los ordenadores. También contiene el refrigerador MIRI y algunos componentes electrónicos del ISIM.
Hay seis subsistemas principales en el bus de la nave espacial: [11] [2]
El autobús de la nave espacial tiene dos rastreadores de estrellas , seis ruedas de reacción y los sistemas de propulsión ( tanque de combustible y propulsores ). [12] Dos tareas principales son apuntar el telescopio y realizar el mantenimiento de la posición para su órbita de halo metaestable L2. [12]
El sistema de Comando y Manejo de Datos incluye una computadora, el Procesador de Telemetría de Comando (CTP), y una unidad de almacenamiento de datos, el Registrador de Estado Sólido (SSR), [2] con una capacidad de 58,9 GB. [12]
La antena parabólica de comunicaciones que puede apuntar a la Tierra está conectada al bus. [13] : Fig 1 Hay comunicación por radio en banda Ka y banda S. [12] El Sistema Común de Comando y Telemetría se basa en el sistema ECLIPSE de Raytheon. [12] El sistema está diseñado para comunicarse con la Red de Comunicación del Espacio Profundo de la NASA . El principal Centro Científico y de Operaciones es el Instituto Científico del Telescopio Espacial en el estado de Maryland, EE. UU. [14]
El JWST utiliza dos tipos de propulsores. Los propulsores aumentados de combustión secundaria (SCAT) utilizan hidracina ( N 2 H 4 ) y el oxidante tetróxido de dinitrógeno ( N 2 O 4 ) como propulsores. [15] Hay cuatro SCAT en dos pares. Un par se utiliza para propulsar el JWST en órbita, y el otro realiza el mantenimiento de la posición en órbita. También hay ocho motores de cohete monopropulsante (MRE-1), llamados así porque utilizan solo hidracina como combustible. Se utilizan para el control de actitud y la descarga de momento de las ruedas de reacción. [2] [16]
El JWST tiene seis ruedas de reacción para el control de actitud, ruedas giratorias que permiten cambiar la orientación sin usar propulsor para cambiar el impulso. [17]
Por último, hay dos tanques de helio de titanio para proporcionar presión no regulada para todos los propulsores. [ cita requerida ]
Para detectar cambios de dirección, el JWST utiliza giroscopios resonadores hemisféricos (HRG). Se espera que los HRG sean más confiables que los giroscopios con soporte de gas que eran un problema de confiabilidad en el Telescopio Espacial Hubble . Sin embargo, no pueden apuntar con tanta precisión, lo que se soluciona con el espejo de guía fina del JWST. [18]
Los sistemas térmicos del autobús incluyen los conjuntos de parasoles de radiador desplegables. Hay dos, uno vertical (DRSA-V) y otro horizontal (DRSA-H), para vertical y horizontal respectivamente (con respecto al sistema de coordenadas del autobús de la nave espacial). La membrana que compone el DRSA es una membrana de Kapton revestida. Otros elementos térmicos en el exterior incluyen un pequeño radiador para la batería. También hay un parasol de radiador fijo inferior estrecho, también hecho de membrana de Kapton revestida. El revestimiento de la membrana es de silicio y VPA. Otras áreas del exterior están cubiertas con aislamiento multicapa JWST (MLI). [ cita requerida ]
El subsistema de energía eléctrica proporciona electricidad a la nave espacial JWST. [19] Consiste en un conjunto de paneles solares y baterías recargables, [19] [20] un regulador de paneles solares (SAR), una unidad de control de energía (PCU) y una unidad de adquisición de telemetría (TAU).
Los paneles solares convierten la luz solar directamente en electricidad. [19] Esta energía bruta se alimenta al SAR, que consta de cuatro convertidores reductores redundantes , cada uno de los cuales funciona con un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Si bien el voltaje de salida no está regulado estrictamente, los convertidores reductores no permitirán que el voltaje del bus principal de la nave espacial caiga por debajo de aproximadamente 22 voltios, o aumente por encima de aproximadamente 35 voltios. Con todos los instrumentos científicos y todos los circuitos de apoyo "encendidos" simultáneamente, aproximadamente tres de los cuatro convertidores redundantes podrían manejar toda la energía requerida. Por lo general, uno o dos convertidores deben estar funcionando a la vez con los otros dos en modo de espera activo.
La unidad de control de potencia (PCU) consta principalmente de interruptores electrónicos que encienden o apagan cada instrumento científico o dispositivo de apoyo bajo el control de la computadora central. Cada interruptor permite que la energía fluya al instrumento seleccionado desde el SAR. Las comunicaciones con la computadora central se realizan a través de un bus 1553. Además de los interruptores de potencia, los procesadores para el algoritmo MPPT del SAR se encuentran en la PCU, junto con algunos procesadores de telemetría, procesadores para detectar cuándo la nave espacial se ha desconectado de la etapa superior de lanzamiento y algunos controladores de refrigeradores criogénicos.
La Unidad de Adquisición de Telemetría (TAU) consta de interruptores electrónicos para varios calentadores de los lados "calientes" del telescopio. Además, hay interruptores para los actuadores de despliegue y la mayor parte de los procesadores de telemetría (por ejemplo, medición de temperaturas, energía eléctrica, niveles de combustible, etc.). La TAU se comunica con la computadora central a través del bus 1553.
Tanto la PCU como la TAU contienen sistemas completamente redundantes, uno activo mientras el otro está en modo de espera o apagado por completo. Las baterías recargables de JWST son del tipo de iones de litio . [20] Las baterías utilizan la tecnología de celdas de carbono duro Sony 18650. [20] Las baterías están diseñadas para soportar vuelos espaciales y deberían soportar 18.000 ciclos de carga y descarga. [20] Cada estructura de soporte de panel solar es de un compuesto de fibra de carbono en forma de panal . [ cita requerida ]
Algunas de las primeras configuraciones del autobús tenían dos alas con paneles solares, una en cada lado. [21] Parte del diseño del programa JWST era permitir que diferentes variaciones de diseño "compitieran" entre sí. [21]
Aunque el autobús fue diseñado principalmente para operar en el ambiente sin gravedad del espacio exterior, durante el lanzamiento debe soportar el equivalente a 45 toneladas. [6] La estructura puede soportar 64 veces su propio peso. [22]
La estructura de la nave espacial proporciona capacidades de última generación para respaldar la primera misión de luz del telescopio espacial James Webb.
— Un gerente de la nave espacial del Telescopio Webb citado por Composites World [22]
El bus de la nave espacial está conectado al elemento del telescopio óptico y al parasol a través del conjunto de torre desplegable. [23] La interfaz con el vehículo de lanzamiento está en el exterior; tomando la forma de un cono, junto con el adaptador de carga útil transmite el peso y las fuerzas de aceleración hacia las paredes del vehículo de lanzamiento. [24]
La estructura de las paredes del autobús está hecha de compuesto de fibra de carbono y compuesto de grafito . [5] [25]
El autobús tiene una longitud de 3.508 mm (11,509 pies) sin los paneles solares. [26] Desde un borde de una sombrilla de radiador extendida hasta el otro hay 6.775 mm (22,228 pies); esto incluye la longitud de las dos sombrillas de radiador de dos metros de ancho. [26] El panel solar del tren de aterrizaje trasero tiene 5.900 mm (19,4 pies), pero normalmente está en un ángulo de 20° hacia el parasol. [26] El panel está frente al brazo de despliegue del escudo de los segmentos del parasol, que en el extremo también tiene una pestaña de ajuste adjunta.
La estructura del autobús pesa 350 kg (770 lb). [5]
Una vez lanzado el JWST, el autobús comenzó a desplegarse y extenderse hasta su configuración operativa. [27] El plan era que durante su primera semana de funcionamiento, la torre desplegable se extendería, lo que separaría el autobús de la nave espacial superior en unos 2 metros. [27]
Se desarrolló una simulación de software del registrador de estado sólido para fines de prueba, que respalda la simulación de software general del JWST. Esto se llama Simulador de registrador de estado sólido (SSR) de simulación y prueba integradas del JWST (JIST), y se utilizó para probar el software de vuelo con SpaceWire y comunicación MIL-STD-1553 , en lo que se refiere al SSR. Una computadora de placa única Excalibur 1002 ejecutó el software de prueba. El software de prueba SSR es una extensión del software JIST que se llama núcleo de simulación y prueba integradas del JWST (JIST). JIST reúne simulaciones de software del hardware del JWST con el software real del JWST, para permitir la prueba virtual. El SSR simulado se creó para respaldar la creación de una versión de prueba de software del JWST, para ayudar a validar y probar el software de vuelo para el telescopio. En otras palabras, en lugar de utilizar una versión de hardware de prueba real del SSR, existe un programa de software que simula cómo funciona el SSR, que se ejecuta en otra pieza de hardware. [28]
El SSR es parte del subsistema de comando y manejo de datos. [2]
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El elemento de la nave espacial está fabricado por Northrop Grumman Aerospace Systems. [23] Está previsto que el parasol y el Bus se integren en 2017. [29]
En 2014, Northrop Grumman comenzó la construcción de varios componentes del bus de la nave espacial, incluidos los giroscopios, los tanques de combustible y los paneles solares. [30] El 25 de mayo de 2016, se completó la integración del panel de la nave espacial. [30] La estructura general del bus de la nave espacial se completó en octubre de 2015. [6] El bus de la nave espacial se ensambló en las instalaciones de Redondo Beach, California, en los Estados Unidos. [6] El bus de la nave espacial completo se encendió por primera vez a principios de 2016. [31]
Los paneles solares completaron una auditoría de diseño preliminar en 2012, pasando a la fase de diseño detallado. [32] Los tanques de combustible y oxidante se enviaron para su ensamblaje en septiembre de 2015. [33]
En 2015 se entregaron para su construcción los subsistemas de comunicaciones, los rastreadores de estrellas, las ruedas de reacción, los sensores solares finos, la unidad electrónica de despliegue, los procesadores de telemetría de comando y los arneses de cables. [34]
Entre 2016 y 2018, se realizarán instalaciones y pruebas del telescopio y del telescopio más los instrumentos, seguidos del envío al Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas, donde se realizarán pruebas ópticas de extremo a extremo en un entorno espacial simulado de criotemperatura y vacío... Luego, todas las partes se enviarán a Northrop Grumman para el ensamblaje y las pruebas finales, y luego a la Guayana Francesa para el lanzamiento.
— Paul Geithner, director técnico del telescopio Webb en el telescopio Goddard de la NASA [35]
El autobús espacial se ensamblará con el elemento espacial y las demás partes en California. [36]
Para el lanzamiento, el bus de la nave espacial está unido al Ariane 5 en un cilindro inferior Cone 3936 más ACU 2624 y una banda de sujeción. [24] Es un carenado de lanzamiento contenido, de 4,57 metros (15 pies) y 16,19 metros (53,1 pies) de tamaño interior utilizable. [24]
Hay dos usos tradicionales principales de los giroscopios en una nave espacial: para detectar cambios en la orientación y para cambiar realmente la orientación.
El JWST utiliza un tipo de giroscopio conocido como giroscopio resonador hemisférico (HRG). [18] Este diseño no tiene cojinetes, piezas de fricción [37] ni conexiones flexibles. [18] Este no es un giroscopio mecánico tradicional; en cambio, un HRG tiene un hemisferio de cuarzo que vibra a su frecuencia resonante en el vacío. [18] Los electrodos detectan cambios si la nave espacial se mueve para recopilar la información deseada sobre la orientación.
Se prevé que el diseño tenga un tiempo medio de vida útil antes de fallar de 10 millones de horas. [18] Los giroscopios fallaron en varias ocasiones en el Telescopio Espacial Hubble y tuvieron que ser reemplazados varias veces. Sin embargo, se trataba de un diseño diferente llamado giroscopio con cojinetes de gas, que tiene ciertos beneficios pero experimentó algunos problemas de confiabilidad a largo plazo. [38] El JWST tendrá seis giroscopios, pero solo se requieren dos para apuntar. [37] El JWST no necesita apuntar con tanta precisión porque tiene un espejo de dirección fina que ayuda a contrarrestar los pequeños movimientos del telescopio. [37]
El telescopio JWST también tiene ruedas de reacción giratorias, que se pueden ajustar para apuntar el telescopio sin usar propulsor, [17] así como un conjunto de pequeños propulsores que pueden cambiar físicamente la actitud del telescopio.
Los HRG son sensores que proporcionan información, mientras que las ruedas de reacción y los propulsores son dispositivos que cambian físicamente la orientación de la nave espacial. [17] Juntos trabajan para mantener el telescopio en la órbita correcta y apuntando en la dirección deseada. [17]
El bus de la nave espacial se integró en el telescopio espacial James Webb durante su construcción. [39] El bus de la nave espacial y el segmento Sunshield se combinan en lo que se llama el Elemento de la Nave Espacial, que a su vez se combina con una estructura combinada del Elemento del Telescopio Óptico y el Módulo de Instrumento Científico Integrado llamado OTIS. [39] Ese es el observatorio completo, que está montado en un cono que conecta el JWST a la última etapa del cohete Ariane 5. [39] El bus de la nave espacial es donde ese cono se conecta al resto del JWST.
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