Hvordan motiveres lange romreiser? (17 år Europa-oppdrag)

LocalFluff

2014-02-01 15:02:16 UTC

view on stackexchange narkive permalink

ESAs oppdrag til Europa vil produsere første data 17 år etter at det ble bestemt. Det vil ta åtte år fra lanseringen å ankomme Jupiter. Siden teknologien utvikler seg raskt, lurer jeg på om det ikke ville være mye mer effektivt å legge mindre penger og tid på instrumentene og mer penger på rakettdrivstoff for å få dem tidligere? Et ti år raskere oppdrag ville ha mye billigere instrumenter med flere ganger høyere følsomhet og datahastigheter. Vil ikke instrumentene bli uklare i løpet av tiåret det tar å bygge dem og det andre tiåret det tar å få dem til Jupiter? Et annet eksempel er speilet til James Webb-teleskopet, som absolutt kunne ha blitt produsert bedre og billigere hvis det hadde blitt produsert med 5 år eller så nyere teknologi, enn å sitte i en bod i 5 år før lansering.

Hva med å diversifisere til flere billige hurtige flyby-oppdrag, og passere Jupiter bare 1 år etter lanseringen, som New Horizons? Produserer data 15 år tidligere med 15 år mer moderne teknologi enn det planlagte Europa-oppdraget vil. Dataene den gir kan brukes til å utforme et oppfølgingsoppdrag i løpet av et par år, snarere enn i 2050-årene for å følge opp Europa-oppdraget med en annen.

Betraktes virkelig tidsverdien og risikoen for å konsentrere 2 tiår med Jupiter-forskning til ett enkelt oppdrag? Er det bare et spørsmål om politisk desorganisering, eller er det rasjonelle grunner til langsom romfart og bruk av uklar teknologi på enkelt høyrisikooppdrag?

Oppdragets forberedelsestid

Du prøver å bruke de raske fremskrittene innen masseprodusert databehandling på andre felt. Ja, hvis du venter i fem år, vil datamaskiner være mye raskere. Men Moores lov er et unntak: fremskritt på de fleste felt er mye tregere. For eksempel blir speil ikke billigere hvis du venter i fem år, fordi det fortsatt tar like mye tid og krefter å lage dem.

Her er noen få faktorer som fører til at romfartøydesign tar lang tid:

Komponenter som er rangert av rom. Hver del av sonden må være i stand til å tåle rommiljøet: ekstreme temperaturer og stråling betyr at du ikke kan bruke hyllekomponenter, alt må utformes for rom. For eksempel at ESA har utviklet sin egen mikroprosessor. For å sikre at alle komponentene dine fungerer som de skal, må alt testes grundig. Dette tar tid. Hvis du bytter mikroprosessor for en ny, raskere design, må du starte testene på nytt. Strålingen betyr også at du vil at de integrerte kretsene skal bruke større komponenter, fordi det er mindre sannsynlig at de blir forstyrret av stråling. Dette alene betyr at du bruker sjetonger som ligger flere generasjoner bak det som er tilgjengelig kommersielt.

Vitenskapsinstrumentene. Disse må utvikles spesielt for oppdraget. Du kan ikke bare stikke et kommersielt kamera i en sonde.

Pålitelighet. Du har bare en sjanse, sonden må fungere perfekt når den kommer eller alt arbeidet ditt og pengene dine er i renne. Å kutte hjørner for å spare penger ville være kontraproduktivt.

Unikt. Hver sonde er en engangsbruk, fordi hvert oppdrag har veldig forskjellige krav. Så gjenbruk er begrenset.

Forældelse. Etter min mening er dette ikke relevant. Spørsmålet er, er oppdraget verdt med nivået på teknologi vi har nå? Hvis svaret er ja, bør oppdraget fortsette.
Så på hvert nivå bygger du ikke bare sonden, men du gjør all forskning og utvikling som kommer før. Den eneste måten å få fart på designfasen, er å forenkle designet. Se 'Generelle observasjoner' nedenfor.

Flyby versus orbitale oppdrag

Flyby-oppdrag kan være billigere, men de begrenser også sterkt mengden nyttig vitenskap du kan gjøre. Du er bare nær planeten i et par dager, mot flere år for et baneoppdrag.
Det er mye verdi i å kunne observere en planet i lang tid: værmønstre, årstider, innflytelse av variasjoner i solvinden. Et orbitalt oppdrag gir også muligheten til å kartlegge hele planeten med høy oppløsning.
Pioneer- og Voyager-oppdragene var vellykkede. De utvidet kraftig vår kunnskap om det ytre solsystemet. Men de ble fulgt opp av orbitale oppdrag som var designet for å 'zoome inn' på fenomener som bare ble skimtet kort.

Transittid

Lanseringen er en betydelig brøkdel av den totale kostnaden. Vi snakker mer enn hundre millioner dollar. Tyngre bæreraketter (for å forkorte transittiden) koster enda mer, så de enkle sonderne dine vil fortsatt være dyre å starte. Den rasjonelle tingen å gjøre er å bruke mer på instrumenter og mindre på bæreraketten. Det samme gjelder sakte baner ved hjelp av tyngdekraftsassistenter. Så hva om det tar åtte år før romfartøyet når Jupiter? Hvis det halverer lanseringskostnadene, betyr det at du får et ekstra oppdrag ut av budsjettet.

Det er en politisk faktor som spiller inn: ESA foretrekker å bruke sin egen bærerakett til sine romprober. For øyeblikket betyr det å bruke Ariane 5, med begrensningene for romfartøyets vekt. Hvis de ønsket å forkorte transittiden, måtte de bruke en amerikansk Delta IV Heavy. Den tyngste varianten kan lansere omtrent 2 tonn mer til en geostasjonær bane (12 mot 10 tonn), men det vil bety $ 150 millioner dollar til et amerikansk selskap i stedet for å være til fordel for den europeiske romfartssektoren.

Bruk av kommersiell elektronikk i rommet

Det har vært mye forskning på muligheten for å bruke kommersiell elektronikk i rommet (COTS). Det meste av dette er fokusert på applikasjoner med lav jordbane, hvor stråling er et mindre problem enn i verdensrommet.
En studie konkluderte med at den er ikke så grei som håpet. Et stort problem er at endringssyklusen i kommersiell elektronikk er så kort at når du er ferdig med å verifisere at en del vil fungere i verdensrommet, vil delen være foreldet og erstattet. Dette gjør det vanskelig å forutsi hva sjansen vil være for at satellitten fortsatt fungerer etter et år.
En annen studie konkluderer med at selv i LEO mislykkes mange kommersielle deler pga. til strålingsskader innen et år.
Redundans i seg selv er ikke nok; en enkeltpartikkelstreik (enkelt hendelse opprørt, SE) kan endre oppførselen til en brikke permanent (eller midlertidig). Kommersiell elektronikk lar deg ikke oppdage dette eller rute rundt det, så det betyr at den første SEEN kan avslutte oppdraget. Dette betyr at du må designe elektronikken for å være feiltolerant fra grunnen av.
For noen år siden ødela en SE SE Voyager 2s minne. Takket være en feiltolerant design klarte NASA å rette feilen og gjenoppta normal drift. Dette problemet kunne ha avsluttet oppdraget hvis kommersiell elektronikk hadde blitt brukt.

Generelle observasjoner

NASA prøvde din tilnærming. Mars Scout-programmet besto av oppdrag budsjettert til $ 480 millioner hver. Phoenix og MAVEN var en del av dette programmet. NASA bestemte seg for å avslutte dette, fordi det ønsket å fokusere på overflatemisjoner (landere og rovere), og de ville ikke passe innenfor dette budsjettet.
Pathfinder -roveren var et annet lavkostoppdrag på $ 260 millioner. Den reiste rundt 100 m og var aktiv i 80 dager. Spirit and Opportunity koster \ $ 400 millioner hver. Spirit tilbakelagt 7,7 km på 6 år, Opportunity er fremdeles aktiv etter 10 år og har dekket 38 km så langt, med mange flere instrumenter enn Pathfinder. I dette tilfellet ga ekstra kostnadene for oppdraget en mer enn proporsjonal økning i mengden vitenskap som kunne gjøres.

Jeg tror vi kan redusere politisk uorganisering fra ESAs side. De tar bevisst den lange visningen, og har det politiske rommet til å planlegge oppdrag som tar to tiår. Mer enn NASA ser det ut til.
ESA-oppdrag er delt inn i 3 klasser: Store (~ € 1B eller \ $ 1.2B), Medium (~ € 400M eller \ $ 480M) og Small (~ € 50M).
En siste faktor som gjør at ledetiden virker veldig lang:

Mens NASA vanligvis velger oppdrag etter detaljerte designstudier og deretter lanserer i løpet av fire til fem år velger ESA konsepter langt før lansering og fyller ut detaljene etter valg.