Сколько энергии вырабатывают солнечные батареи Juno
Примечание о конфиденциальности: ваш адрес электронной почты не будет использоваться для каких-либо других целей.
В нетронутой чистой комнате сразу за воротами Космического центра Кеннеди инженеры, направляющие яркие лучи света на направляющийся к Юпитеру космический корабль НАСА «Юнона», на прошлой неделе завершили проверку энергоэффективности его 18 600 солнечных элементов.
Одно из трех крыльев солнечной батареи Juno проходит испытания освещения, в ходе которых яркие лампы имитируют солнце для проверки системы питания. Авторы и права: NASA-KSC/Джек Пфаллер.
Технические специалисты также тщательно развернули три солнечные панели зонда, чтобы убедиться, что они готовы к полету.
Все проверено, по словам Тима Гаспаррини, руководителя программы Juno в Lockheed Martin Corp.
«Завершение испытаний и укладка солнечных панелей всегда является важной вехой перед запуском, а с Juno можно сказать, что она действительно большая, потому что наши панели действительно большие», — сказал Ян Ходас, руководитель проекта Juno в Лаборатории реактивного движения НАСА.
Миссия направлена на раскрытие подсказок о происхождении Юпитера, что потенциально может дать представление о формировании всей Солнечной системы.
Juno имеет три солнечные панели для выработки электроэнергии. Массивы будут сложены для запуска, а затем развернуты, как аккордеон, через несколько мгновений после того, как космический корабль покинет свою ракету Atlas в космосе. В полностью развернутом состоянии каждое крыло имеет ширину около 9 футов и длину 29 футов.
У одного массива на конце есть штанга магнитометра для одного из исследовательских исследований Юноны.
Используя ряд огней вместо солнца, сотрудники Lockheed Martin осветили каждую из трех расширенных солнечных панелей зонда, чтобы убедиться, что они будут производить достаточно электроэнергии на ошеломляющем расстоянии от Юпитера.
Из-за их размера только одно из солнечных крыльев Юноны может быть расправлено на земле одновременно. Завод Lockheed Martin в Денвере и чистая комната во Флориде недостаточно велики для одновременного расширения всех трех крыльев.
Массивы размещены на трех пластинах шестигранного ядра космического корабля, образуя треугольную форму при совместном развертывании в космосе. В целом, панели имеют площадь около 635 квадратных футов, что больше, чем у большинства квартир-студий.
«Мне нравится говорить своим детям, что космический корабль почти растянется от края до края на баскетбольной площадке», — сказал Рик Найбаккен, заместитель руководителя проекта Juno в JPL.
Испытания солнечной батареи на выход и освещение были повторением аналогичной проверки на заводе космического корабля в Денвере. Но солнечные панели были сняты с Juno для отправки во Флориду, поэтому чиновники хотели убедиться, что все еще работает, когда компоненты снова будут собраны.
Инженеры проверили ток от массивов, когда световой стенд отбрасывал жуткое свечение на фиолетовые панели. Официальные лица были довольны результатами, разрешив сложить солнечные панели в стартовую конфигурацию и пройдя еще одну веху на пути к запуску.
Далее предстоит заправка «Юноны» ракетным топливом, штопор и стыковка корабля с ракетой-носителем.
Художественная концепция космического корабля Юнона на Юпитере. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Расположенный в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, царь планет вызывает дурные предчувствия. Юпитер окружен опасными радиационными поясами, и только часть солнечного света и тепла проникает так далеко в солнечную систему.
До сих пор роботизированные зонды, достаточно смелые, чтобы отправиться к Юпитеру или дальше, всегда приводились в действие ядерным генератором.
Миссия Juno стоимостью 1 миллиард долларов стартует 5 августа на ракете Atlas 5. Его пятилетнее путешествие от Земли к Юпитеру будет зависеть исключительно от солнечного света, установив новый рекорд расстояния для космического корабля на солнечной энергии, когда он будет выведен на орбиту в июле 2016 года.
Его солнечные панели могут генерировать до 18 киловатт электроэнергии при ярком солнечном свете на Земле, но на расстоянии Юпитера это значение падает примерно до 450 ватт.Это эквивалентно примерно пяти стандартным лампочкам.
«Если бы у вас была 100-ваттная лампочка на Земле, она превратилась бы в ночник на Юпитере», — сказал Гаспаррини.
Половина бюджета Juno на электроэнергию идет на его тепловую систему, чтобы поддерживать комфортную температуру космического корабля. Баланс идет на средства связи, компьютеры, двигательные установки и работу с семью научными инструментами зонда и цветной камерой.
«Юнона» пролетит почти в два раза дальше от Солнца, чем «охотник за астероидами» НАСА «Рассвет» — еще одна амбициозная миссия, исследующая новые рубежи с помощью двух огромных солнечных панелей. Кометный зонд «Розетта» Европейского космического агентства также расширяет границы солнечной энергии, но он не может достичь расстояния до Юпитера.
Все это создает непростую задачу для инженеров-электриков Juno.
«Единственное, что делает возможной эту миссию, — это эффективность солнечных элементов», — сказал Джефф Койн, главный инженер Lockheed Martin по энергетической подсистеме Juno.
Если бы не найти способ запитать «Юнону» солнечным светом, миссия, скорее всего, не продвинулась бы дальше слайда в PowerPoint. Это общее мнение среди инженеров-подрядчиков и государственных инженеров, помогающих подготовить зонд в форме вертолета к старту.
Во-первых, американские запасы плутониевого топлива для ядерных космических кораблей истощаются, и почти все, что осталось, уже используется для будущих миссий. Даже если бы плутоний был доступен, ядерный генератор энергии создал бы нормативные препятствия, которые могли бы усложнить разработку.
Вместо этого Lockheed Martin предложила концепцию солнечной энергии, которая могла бы выполнить все задачи Juno на Юпитере.
«Я начал проводить множество расчетов, используя опубликованную производителями информацию, и мы придумали массив, который будет работать», — сказал Киндт.
Техники устанавливают многослойную изоляцию на стрелу магнитометра Juno на кончике одного из солнечных крыльев. Предоставлено: Стивен Кларк/Spaceflight Now.
Киндт сыграл ключевую роль в решении использовать солнечную энергию на Юноне полвека назад. Он говорит, что инженеры должны были доказать, что солнечные элементы и электрические схемы могут противостоять опасному радиационному полю Юпитера и при этом оставаться эффективными производителями энергии.
Инженеры разработали новый дизайн, используя 18 600 солнечных элементов, отобранных компанией Spectrolab, дочерней компанией Boeing Co., базирующейся в Лос-Анджелесе. Изготовленная из арсенида галлия, каждая ячейка имеет размеры примерно 3,7 дюйма на 2,25 дюйма.
«Мы — первая миссия, которая использует солнечную энергию на расстоянии от Юпитера, но технология солнечных элементов развивалась за последние несколько десятилетий», — сказал Чодас в интервью. «Мы абсолютно уверены, что наши массивы обеспечат достаточную мощность».
Lockheed Martin и Spectrolab подвергли каждый из солнечных элементов Juno многочисленным испытаниям, чтобы проверить их ожидаемую производительность на смоделированных солнечных расстояниях от запуска с Земли до научной фазы на Юпитере.
Дизайнеры также разработали дополнительные радиационные испытания, чтобы убедиться, что элементы, компьютеры и проводка выдержат радиационные пояса Юпитера, испускающие достаточное количество электронов, протонов и других высокоэнергетических заряженных частиц, чтобы поразить незащищенный мозг Юноны на ее первой орбите.
Но зонду потребуется 30 полетов вокруг Юпитера, чтобы собрать данные, необходимые ученым, чтобы составить карту магнитного поля гигантской планеты и заглянуть глубоко в ее бурлящую негостеприимную атмосферу.
«Юнона» пролетит через радиационные пояса Юпитера в форме пончика на каждой орбите, подвергая себя воздействию окружающей среды, которая в конечном итоге получит лучшее от космического корабля, завершив свою миссию всего через 15 месяцев на газовом гиганте.
Зонд НАСА «Галилео» продержался около Юпитера почти восемь лет, но «Юнона» будет летать через самую сильную радиацию планеты с большей регулярностью, приближаясь на 2500 миль к вершинам турбулентных облаков Юпитера за каждый проход. Чиновники сравнивают этот опыт с получением 100 миллионов рентгеновских снимков зубов чуть более чем за год.
Бортовые компьютеры Juno, авионика и система управления заключены в прочный титановый ящик наверху космического корабля. Известный как хранилище, контейнер размером с микроволновую печь и весит почти 500 фунтов при полной загрузке, Гаспаррини.
На раннем этапе разработки Juno инженеры решили построить радиационно-защитное хранилище. Они знали, что он направляется в неизведанную ранее среду, столкнувшись с самым интенсивным космическим излучением из всех миссий в истории.
Некоторые энергетические частицы все же проникнут в хранилище, но оно достаточно прочное, чтобы поддерживать космический корабль в ходе запланированной миссии. Примерно через 15 месяцев инженеры ожидают, что Юнона начнет поддаваться радиации. Они планируют погрузить зонд в атмосферу Юпитера в огненной проводке, чтобы избежать случайного столкновения с одним из внутренних спутников планеты, которые являются потенциальными целями для последующих миссий.
Рабочие помогают управлять одной из солнечных батарей Juno во время испытаний на развертывании на прошлой неделе. Авторы и права: NASA-KSC/Джек Пфаллер.
«Все проблемы были выявлены на раннем этапе, поэтому давно велась работа по созданию космического корабля, способного выжить в этой среде», — сказал Чодас. «Это была хорошо спланированная миссия с самого начала».
Но некоторые проблемы не столь очевидны для сидящего в кресле наблюдателя.
Схема и система питания Juno не могут работать с 18 киловаттами электроэнергии, которые солнечные панели зонда могут генерировать сразу после запуска. Поэтому инженеры придумали хитрый способ связать солнечные элементы в цепочки, дав наземным диспетчерам возможность направлять лишь часть обильной энергии в сердце Юноны.
«На Юпитере нам нужно только иметь возможность обрабатывать определенное количество тока, и когда вы сидите там с 18 киловаттами, у вас есть большой ток», — сказал Киндт. «Это тепловая проблема для электроники, поэтому мы отступаем, чтобы управлять величиной тока, который у нас есть».
По мере того, как Juno будет удаляться от солнца, контроллеры добавят в энергосистему больше нитей, задействуя большую часть площади сбора солнечных панелей по мере необходимости.
Радиация также будет угрожать эффективности солнечных батарей Juno. Не имея возможности защитить панели в титановом своде корабля, инженеры удвоили толщину защитного стекла над каждой ячейкой.
«Радиация — серьезный фактор деградации наших солнечных батарей, — сказал Койн. «Мы думаем, что сначала избежали радиации, но более поздние орбиты миссии уводят «Юнону» глубже в радиационный пояс. Это большой удар по солнечным батареям».
Стандартные солнечные элементы Juno не были рассчитаны на то, чтобы выдерживать излучение Юпитера, но испытания показывают, что они должны работать достаточно долго, чтобы собирать научные данные миссии. Солнечные элементы на спутниках около Земли обычно служат десятилетиями.
Даже если исключить условия низкой освещенности и резкого излучения на Юпитере, солнечным элементам все равно приходится справляться с сильными вибрациями и колебаниями высоких и низких температур каждой космической миссии.
Корабль будет работать при температуре от минус 220 до 266 градусов по Фаренгейту. По словам Киндта, солнечные батареи должны выдерживать еще более экстремальные температуры.
