TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 1 Mgr inż. Piotr Orleański Centrum Badań Kosmicznych, Polska Akademia Nauk, Warszawa, ul. Bartycka 18A tel.: w.206 wykłady będą umieszczone na stronie:

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 2 Część 1 –– wiadomości ogólne  Wstęp  Organizacja projektów kosmicznych, struktury konsorcjów, gdzie możemy znaleźć swój udział,  Przegląd różnych rodzajów satelitarnej aparatury pomiarowej,  Klasyfikacja projektów (na przykładzie ESA), w których taka aparatura jest budowana,  Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu,  Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego),  Narzędzia używane w kolejnych etapach projektu,  Przerwa  Aparatura satelitarna– na przykładzie spektrometru fourierowskiego PFS dla misji Mars Express.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 3 Część 2 – interfejsy pokładowe  Interfejsy mechaniczne,  Interfejsy optyczne,  Interfejsy termiczne,  Satelita jako fragment aparatury,  Anteny pomiarowe,  Systemy zasilania aparatury pomiarowej,  Sterowanie aparaturą pomiarową, komendy pokładowe,  Telemetria pokładowa, zbieranie danych, ich przechowywanie i transmisja na Ziemię,  Zagadnienia EMC,  Przerwa,  Aparatura satelitarna – na przykładzie teleskopu promieniowania gamma dla misji Integral.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 4 Część 3 – wymagania środowiskowe i testy  Próżnia – problemy mechaniczne i cieplne,  Bilans cieplny satelity,  Narażenia mechaniczne,  Nieważkość,  Promieniowanie i jego wpływ na elementy elektroniczne  Testy wytrzymałościowe,  Testy cieplne w komorach próżniowych,  Clean-room,  Testy EMC,  Aparatura MGSE i EGSE,  Bazy danych służących do testów i późniejszego sterowania aparaturą,  Przerwa,  Aparatura satelitarna– na przykładzie penetratora w misji Rosetta.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 5 Część 4 – Niezawodność (Product Assurance)  Klasyfikacje projektów uwzględniające problemy niezawodności,  Struktura projektu uwzględniająca problemy niezawodności,  Normy projektowania stosowane przez różne agencje kosmiczne,  Niezawodność elementów stosowanych w projektach satelitarnych,  Niezawodność zbudowanego urządzenia – testy kwalifikacyjne a testy akceptacyjne,  Wymagania dotyczące dokumentacji,  Analiza niezawodnościowa (FMECA, WCA, PSA),  Przerwa,  Aparatura satelitarna– na przykładzie analizatora fal plazmowych w misji CESAR,  Aparatura satelitarna– na przykładzie spektrometru HIFI w misji Herschel.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 6 Część 5 – Niezawodność, c.d. - projektowanie nadmiarowe jako „dyskusyjny” element procesu budowy aparatury pomiarowej.  problem prawidłowego zdefiniowania założeń,,  określenie obszarów najsłabiej zdefiniowanych,  próba zdefiniowania najbardziej „uniwersalnego” urządzenia pomiarowego,  niezawodność funkcjonalna urządzenia,  kryteria (i ich ważność) stosowana w procesie projektowania aparatury sateliternej,  praktyczne sposoby zwiększenia niezawodności funkcjonalnej,  Przerwa,  Aparatura satelitarna– na przykładzie różnych przyrządów optycznych,

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 7 Organizacja projektów kosmicznych, struktury konsorcjów, gdzie możemy znaleźć swój udział Europejska Agencja Kosmiczna (ESA): Austria, Belgia, Dania, Finlandia, Francja, Holandia, Irlandia, Niemcy, Norwegia, Portugalia, Hiszpania, Szwecja, Szwajcaria, Wielka Brytania, Włochy. Kanada ma specjalny status członka stowarzyszonego i bierze udział w niektórych projektach. W chwili obecnej kilka innych państw europejskich, w tym i Polska, uzyskały lub starają się o podobny status. Główna siedziba ESA mieści się w Paryżu ESTEC, European Space Research and Technology Centre, Noordwijk, Holandia, to główne laboratoria techniczne. ESOC, European Space Operations Centre, Darmstadt, Niemcy, to główne centrum kontroli misji. EAC, European Astronauts Centre, Kolonia, Niemcy to miejsce gdzie trenują astronauci ESA. ESRIN, European Space Research Institute, Frascati, Włochy zbiera, gromadzi i prowadzi dystrybucję danych. Koruou - pole startowe w Gujanie Francuskiej. Agencje narodowe: NASA - National Areonautic and Space Administration, CNES - Centre National d’Etiudes Spatiales, ASI - Agenzia Spaziale Italiano, DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, RKA- Rossiiskoie Aviacionno-Kosmitcheskoje Agenstwo, CAS - Canadian Space Agency, SRON - Stichting Ruimteonderzoek Nederland, i wiele innych

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 8 Organizacja projektów kosmicznych, struktury konsorcjów, gdzie możemy znaleźć swój udział, cd. Środowiska naukowe Narodowe agencje kosmiczne ESA Program naukowy ESA Konkretny projekt ESA Project Office Aparatura: konkurs eksperymentów Satelita: konkurs Primary Contractor Konkretny eksperyment Primary Investigator Fragmenty projektu Co-Investigator Fragmenty projektu Co-Investigator Fragmenty projektu Co-Investigator Konkretny eksperyment Primary Investigator

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 9 Różne rodzaje satelitarnej aparatury pomiarowej – propozycje (2002) dla misji Beppi Colombo do Merkurego: Remote Sensing Instruments Narrow angle cameraSurface imaging in visible and near-infrared at medium-high resolution Wide angle cameraSurface imaging in visible and near-infrared for complete topography at low resolution Infrared mapping spectrometer Mineralogy and observation of absorption bands in near and thermal infrared UV spectrograph Exospheric composition and morphology - UV photometry, surface mapping Mercury X-ray spectrometer Elemental mapping / composition of surface layer Mercury gamma-ray spectrometer Determination of the chemical composition of the surface, Mercury neutron spectrometer Chemical composition variations. Search for water-ice deposits Radio Science Instruments Ka/Ka band transponder Radio science, range and range-rate measurements Accelerometer Global mapping of Mercury gravity field Laser Altimeter Laser altimeter Topographic mapping Surface Element instruments Alpha X-ray spectrometerChemical composition of soil and rocks Heat flow and physical properties pck. Thermal and mechanical properties of the soil, heat flow from the deep interior SeismometerTidal activity, reflection at mantle discontinuities, possible impact recording Descent camera for a landerImaging of the surface at several wavelengths during the descent Surface camera for a landerBlack and white imaging of the surface Mercury lander magnetometerSurface magnetic field and global electric conductivity Mole deployment deviceDeployment of HP3 Mercury micro-roverTransport geochemistry package to selected targets for in-situ measurements Magnetospheric Orbiter instruments Dual 3-axis fluxgate magnetometer Magnetic field mapping Ion mass spectrometer Ambient plasma composition and energy distribution Electron electrostatic analyser3D electron energy distribution Radio and plasma wave investigationSurvey of magnetospheric waves, detect. of radio emission sources, solar activity monitor. Cold plasma analyserLow energy plasma distribution in magnetosphere Energetic plasma detectorEnergetic magnetospheric electrons and ions CameraPreliminary mapping of the surface

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 10 Różne rodzaje satelitarnej aparatury pomiarowej – wybrane we wrześniu 2004 instrumenty dla misji Beppi Colombo, zlikwidowano lądownik, pozostawiono dwa orbitery

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 11 Przegląd różnych rodzajów satelitarnej aparatury pomiarowej - przykłady innych misji: Overview of Integral's four instruments IBISImager on board Integral SatelliteGamma Ray imager (telescope) SPISpectrometer for IntegralSPI will measure gamma-ray energies with exceptional precision OMCOptical Monitoring Camera Integral's optical camera will make long observations of the visible light from gamma-ray and X-ray sources JEM-XJoint European X-ray Monitor The X-ray monitor Overview of ISO instruments TelescopeIR telescope used for all four instruments ISOCAMIR Camera2.5 to 17 micron camera ISOPHOTIR photo-polarimete2.5 to 240 micron radiometer SWSShort Wave Spectrometer2.5 to 45 microns spectrometer LWSLong Wave Spectrometer45 to microns spectrometer Overview of SMART-1 Instruments EPDP/SPEDE Electric Propulsion Diagnostic Pckg.Monitoring the side effects of electric propulsion OBAN Onboard Autonomous NavigationTesting autonomous navigation SIR Infrared Exploration of the lunar surfaceTowards a detailed analysis of the surface composition D-CIXS Demonstration of a Compact Imaging X-rayA new generation of X-ray imagers for planetary Spectrometer observation KaTE X/Ka-band Telemetry and Telecommand Exp.Investigating new communications technology Laser-Link Experiment Optical communication studies AMIE Asteroid-Moon Micro-Imager ExperimentA multicolour micro-camera

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 12 Przegląd różnych rodzajów satelitarnej aparatury pomiarowej cd. szczególnie istotne parametry aparatury: kamery, teleskopy- rozdzielczość przestrzenna, czułość, pole widzenia, dokładność odwzorowania geometrycznego, kompresja strumienia danych, szybkość pozyskiwania pojedynczych kadrów; spektrometry, analizatory widma - rozdzielczość spektralna, czułość, zakresy pomiarowe, aliasing, szybkość przemiatania, możliwość automatycznej adaptacji pracy instrumentu do szybko zmieniających się warunków pomiaru, uniwersalność (synchronizacja pracy wielu spektrometrów); próbniki, układy robotyki dla lądowników - masa, zasilanie, praca autonomiczna (ograniczone zdalne sterowanie), niezawodność; czujniki - czułość, szeroki zakres pomiarowy, niewrażliwość na zmienne warunki środowiskowe lub możliwość łatwej kalibracji, mała masa

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 13 Klasyfikacja projektów (na przykładzie ESA), w których aparatura pomiarowa jest budowana Projekty o najwyższym priorytecie - międzynarodowe laboratoria badawcze. Projekty o największym znaczeniu dla rozwoju wybranych dziedzin nauki, tzw. „cornerstone missions”. Projekty duże, w których poszczególne eksperymenty finansowane są w całości przez PI a satelita przez ESA. Projekty tzw. „technologiczne” służące do sprawdzenia wybranych zagadnień technologicznych. Projekty małe, z zasady realizowane razem z innymi (wspólne wyniesienie na orbitę). Projekty dydaktyczne, głównie studenckie Zasady finansowania, problemy niezawodności, odpowiedzialność za eksperyment, dostępność wyników, zasady publikowania raportów.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 14 Projekty ESA

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 15 Projekty ESA

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 16 Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 17 Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu Faza 0: analiza misji, identyfikacja potrzeb. zidentyfikowanie i wstępna charakterystyka proponowanej misji, ocena fizykalnych i środowiskowych wymagań dla misji, identyfikacja możliwych rozwiązań systemowych z uwypukleniem innowacyjności i możliwych problemów, wstępne określenie struktury organizacyjnej misji, jej kosztów i harmonogramu Faza A: wykonalność projektu wyszczególnienie i charakteryzacja krytycznych elementów projektu, okreslenie sposobu finansowania, studia różnych rozwiązań systemowych i porównanie wyników z oczekiwaniami, określenie niewiadomych, ocena ryzyka, ocena możliwości technologicznych i wykonawczych Faza powinna zakończyć się wyborem koncepcji projektu. W tej fazie najczęściej dochodzi do wstępnego rozdziału prac, od aktywności w tej i poprzedniej fazach zależy nasza pozycja w projekcie.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 18 Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu Faza B: wstępne zdefiniowanie projektu. wybór rozwiązań technicznych, sformułowanie systemowych założeń dla projektu, decyzja co kupić a co należy zbudować, modelowanie i budowa prototypów krytycznych elementów projektu, potwierdzenie, że wybrana koncepcja da się zrealizować, pełne określenie i podział zadań technicznych, kosztów, powstanie pełnej struktury organizacyjnej, stworzenie założeń dla Planu Niezawodności, Faza C: szczegółowe zdefiniowanie projektu, modele instrumentów stworzenie i zatwierdzenie szczegółowych założeń dla całego projektu i jego składowych, określenie sposobów kwalifikacji i testowania podsystemów i instrumentów, rozpoczęcie procedury zamawiania elementów, przygotowanie Interface Control Documents, wykonanie pierwszych modeli, weryfikacja założeń, czasami wykonanie modelu kwalifikacyjnego i jego testy. Faza C kończy się Critical Design Review, formalna akceptacja zakończenia tej fazy jest konieczna do przejścia do fazy wykonywania modeli lotnych.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 19 Jak powstaje aparatura, kolejne fazy projektowania i produkcji sprzętu Faza D: produkcja modeli lotnych, integracja satelity. przeprowadzenie kwalifikacji instrumentów (czasami w fazie C), budowa egzemplarzy lotnych i zapasowych, testy akceptacyjne egzemplarzy lotnych, integracja przyrządów i satelity, testy satelity na Ziemi, przygotowanie centrum operacyjnego (kontrola projektu po starcie), przygotowanie środków umożliwiających wykorzystanie danych, rozdział „czasu pomiarowego” i obiektów, Faza D kończy się decyzją o wystrzeleniu, ostatecznymi testami zintegrowanego satelity, zintegrowaniem satelity z rakietą oraz wystrzeleniem satelity Faza E: wykorzystanie instrumentu E1 - cruise phase - faza dolotu (w przypadku dalekich misji), E1 - „commisionning phase” - testy i kalibracja przyrządu na orbicie, E2 - eksploatacja instrumentu przez użytkowników. Faza F: zakończenie misji

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 20 Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego) model(e) laboratoryjny - budowany po to, aby sprawdzić podstawowe założenia instrumentu - bardzo uproszczony, wykonany z elementów/materiałów komercyjnych, modeluje tylko najbardziej krytyczne fragmenty urządzenia

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 21 Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego) model gabarytowo/masowy i termalny (STM)- struktura i parametry mechaniczne i cieplne modelu powinny odpowiadać przyszłemu egzemplarzowi lotnemu. Budowany jest głównie dla Prime Contractor w celu przeprowadzenia testów mechanicznych i cieplnych całego satelity przed fazą wykonywania egzemplarzy kwalifikacyjnych instrumentów.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 22 Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego) różne symulatory - ze względu na dużą złożoność aparatury buduje się ją w wielu miejscach. Aby uniknąć przyszłych problemów związanych z integracją całego urządzenia wykonuje się i rozsyła do kooperantów symulatory swojego urządzenia. Dzięki temu, już we wczesnej fazie projektu można przeprowadzić częściowe integracje poszczególnych podsystemów, co znacznie przyśpiesza finalną integrację.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 23 Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego) model(e) inżynieryjny (EM)- budowany po to, aby sprawdzić pełną funkcjonalność instrumentu - praktycznie powinien zawierać wszystkie bloki przyszłego urządzenia (bez redundancji), wykonany jest z elementów/materiałów komercyjnych, model ten w końcowej fazie testów dostarczany jest do Prime Contractor i tam integrowany z pierwszym, funkcjonalnym modelem satelity, sprawdza się współpracę EM z pozostałymi urządzeniami satelity, w tym, przede wszystkim z układami telemetrii, komend i zasilania. Jest to pierwszy model w którym można sprawdzić oprogramowanie pokładowe.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 24 Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego) model kwalifikacyjny (QM)- budowany po to, aby sprawdzić zachowanie się instrumentu w całym zakresie zmian warunków otoczenia. Testuje się go w komorach próżniowo-termalnych, poddaje narażeniom mechanicznym, sprawdza jego odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i radiację (nie zawsze). Obciążenia testowe są większe niż zakładane warunki eksploatacji. Zakłada się, że model jest wykonany tak samo jak egzemplarz lotny, dopuszcza się stosowanie elementów militarnych zamiast kosmicznych. Wszystkie bloki docelowe muszą być w modelu reprezentowane, użyte technologie identyczne z finalnymi. Czasami ten egzemplarz zostaje zakwalifikowany jako zapasowy.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 25 Charakterystyka kolejnych modeli aparatury (od projektu do egzemplarza lotnego) modele: lotny (FM) i zapasowy (FS) - model lotny zostaje przetestowany, zintegrowany z satelitą i wystrzelony, model zapasowy pozostaje w gotowości i może być zamieniony z lotnym nawet w ostatniej chwili. Model zapasowy po starcie służy do symulowania na ziemi działania instrumentu. Czasami jest wykorzystywany w kolejnych misjach jako lotny.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 26 Narzędzia używane w kolejnych etapach projektu w fazie projektowania: typowe pakiety oprogramowania: - analiza naprężeń mechanicznych pod wpływem stresów mechanicznego lub termicznego - algorytmy oparte o MES, np.. SolidWorks - analiza układów optycznych - ZEMAX, OPTICAD, - analiza układów elektronicznych - głównie pochodne SPICE - InSpice, PiSpice analiza wpływu radiacji na elementy elektroniczne (SPUR, CATIA,...) - typowe programy CAD dla projektowania mechaniki (AutoCAD, MasterCAM...), płytek drukowanych (PiCAD, OrCAD, PADS, PROTEL), układów programowalnych (np. Libero dla FPGA firmy ACTEL), - pełna gama oprogramowania wspomagającego pisanie oprogramowania, kompilatory, symulatory... - dokumentacja w fazie uruchamiania: typowy sprzęt laboratoryjny, czasami konieczne jest stworzenie lub użycie specjalistycznej aparatury. Zawsze używana jest aparatura MGSE i EGSE w fazie integracji i testów: „clean room”, komory próżniowo-termiczne, wytrząsarki, symulatory Słońca, klatki Faraday’a, aparatura do pomiarów EMC.... Czasami bardzo specjalistyczne zestawy symulujące specyficzne warunki środowiska.

TECHNOLOGIE KOSMICZNE, Podstawy budowy aparatury pomiarowej Piotr Orleański / CBK PAN / Wykład 1 / / strona 27 Narzędzia używane w kolejnych etapach projektu - modelowanie wpływy radiacji na elementy elektroniczne - fragment dokumentacji firmy ALCATEL wykonanej dla projektu Herschel