Новые спутники — новые баги: Инфракрасный сенсор спутника GOES-17 плохо охлаждается

    У запущенного в марте метеорологического спутника GOES-17 проблема — инфракрасная камера нового поколения работает только частично из-за того, что плохо охлаждается. И сейчас одна команда инженеров пытается сократить периоды неполной работоспособности, а вторая — установить причину проблемы. Обе задачи важны, потому что анализ телеметрии предшественника, GOES-16, показал, что там тоже есть признаки ненормальной работы системы охлаждения, и, похоже, четвертое поколение метеорологических спутников GOES столкнулось с системной проблемой.


    Подготовка к запуску GOES-17, фото NASA

    Хронология событий



    Трансляция пуска

    GOES-17 был запущен 1 марта. 12 марта аппарат добрался до геостационарной орбиты и приступил к тестированию бортовых систем. И здесь обнаружился неприятный сюрприз. Для нормальной работы основного оптического прибора спутника, Advanced Baseline Imager (ABI), требовалась низкая температура. Инфракрасные датчики нужно охлаждать, некоторые аж до 60° Кельвина (-213° С), чтобы они могли нормально функционировать. И выяснилось, что система охлаждения не справляется со своими обязанностями. К счастью, температурная нагрузка спутника зависела от времени суток и дня года, поэтому прибор оказался частично работоспособным, но, тем не менее, 13 из 16 частотных полос ежедневно были недоступны несколько часов.

    Матчасть


    Спутник GOES-17 является вторым в четвертом поколении метеорологических геостационарных спутников GOES. Первым в 2016 году на орбиту отправился GOES-16. По замыслу программы GOES два спутника занимают точки стояния восточнее и западнее обеих Америк, чтобы иметь качественное покрытие территории США. Еще две точки используются для проверки и хранения запасных спутников.


    Карта расположения спутников GOES, заливка — область видимости. Иллюстрация NASA

    GOES-16 занял восточную точку, а для 17 спутника предназначалась западная. До запуска спутники носят алфавитные имена, поэтому шестнадцатый имел обозначение GOES-R, а семнадцатый -S. Конструктивно аппараты построены на платформе Lockheed Martin A2100, которая разрабатывалась для телекоммуникационных спутников и GPS, и несут приборы различного назначения.


    Размещение приборов на спутнике, схема NASA

    Geostationary Lightning Mapper (GLM) работает в ближнем инфракрасном диапазоне и используется для обнаружения молний.

    Extreme Ultraviolet and X-ray Irradiance Sensors (EXIS) направлен на Солнце, измеряет инсоляцию (облучение солнечными лучами) и может фиксировать потенциально опасные солнечные вспышки.
    Solar Ultraviolet Imager (SUVI) тоже направлен на Солнце и представляет из себя телескоп, работающий в ультрафиолетовом диапазоне и предназначенный для наблюдения за коронарными дырами, выбросами массы и прочими явлениями солнечной погоды.

    Magnetometer (MAG) и Space Environment In-Situ Suite (SEISS) наблюдают за магнитными полями и потоками высокоэнергетических частиц соответственно.

    Но самым главным инструментом является Advanced Baseline Imager (ABI), который в 16 частотных диапазонах от видимого до инфракрасного фиксирует атмосферные явления, происходящие на земном шаре. Много диапазонов нужно потому, что, например, снег и лед лучше видны в диапазоне длин волн 1.58–1.64 микрометра, а туман, пожары и вулканизм — в 3.80–4.00 микрометра.


    AHI, однотипный ABI, без теплозащитной пленки. Фото Exelis

    Оптическое разрешение зависит от диапазона и в лучшем случае составляет 0,5 км на пиксель, что в два раза больше разрешения сенсора спутников GOES предыдущего третьего поколения. Также, для сравнения, стоит отметить, что сенсоры GOES третьего поколения имели всего 5 диапазонов.

    После введения в строй GOES-16 NOAA и NASA с полным правом похвастались полученными изображениями.


    Прогресс наглядно, рекомендую посмотреть в большом размере


    16 каналов ABI, по ссылке в большом размере

    Проблема


    Но увы, перечисленные в предыдущей главе красоты подпорчены технической проблемой — тепловые трубки, предназначенные для охлаждения сенсоров, не справляются со своей задачей. Теплоноситель, пропилен, недостаточно хорошо циркулирует в них. Причина этого пока не установлена, в качестве версий рассматриваются: излишний неконденсирующийся газ (в тепловых трубках теплоноситель газифицируется и конденсируется, пузырьки газа в жидкости будут мешать циркуляции), загрязнение трубок посторонними частицами или механическое повреждение трубок. На исследование причины и воспроизведение проблемы на земле уйдет еще 1-2 месяца.

    Сенсоров, аналогичных ABI GOES-17, в космосе сейчас работает четыре. Один установлен на GOES-16, и еще два однотипных AHI стоят на японских геостационарных метеоспутниках «Химавари-8» и -9. Японские приборы работают нормально, но вот детальный анализ телеметрии GOES-16 показал, что считающаяся штатно функционирующей система охлаждения столкнулась с такими же проблемами, только в меньшей степени. Температура ABI GOES-16 оставалась в допустимых рамках, поэтому на признаки недостаточной циркуляции теплоносителя не обратили внимания. Повторение ситуации говорит о системности проблемы — либо при конструировании, либо на производстве допустили ошибку, и новые спутники GOES до исправления дефекта запускать нельзя.

    Параллельно другая группа инженеров боролась с проблемой на спутнике. После принятых мер (жаль, не уточнили, каких), доступность диапазонов повысилась. Сейчас 13 из 16 диапазонов функционируют 24 часа в сутки, а оставшиеся 3 — 20 часов. Но расслабляться рано — приближается сентябрь, когда Солнце будет светить почти прямо в сенсор, серьезно повышая тепловую нагрузку. Точные числа пока неизвестны, но ожидается, что круглые сутки будут доступны 10 из 16 диапазонов, а оставшиеся — большую часть времени.

    Заключение


    Как и любая сложная техника, новые приборы на спутниках всегда могут принести сюрпризы. И история с GOES-17 показывает обычно малозаметную, но от этого не менее интересную работу по поддержанию спутников в рабочем состоянии, обновлению их программного обеспечения и настройки параметров работы «железа».
    Поддержать автора
    Поделиться публикацией

    Комментарии 18

      0
      А как вообще в космосе осуществляют охлаждение? Куда сбрасывают тепло-то? Не в вакуум же. Мне кажется, одним излучением много не сбросишь тепла… Оно ж излучает само по себе, ему же принудительно пинка не дашь, чтобы излучало больше…
        +9
        Только излучением. Ставят специальные радиаторы — вот
        они на МКС
        image
          0
          Если система открытая типа «скафандра открытого типа с выбросом в вакуум», то еще за счет адиабатического расширения газа и сброса отработки.
            +1
            слишком много «рабочего тела» понадобится…
          +4
          Мощность излучения пропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана — Больцмана). Т.е. если тепловым насосом поднять температуру радиатора в 2 раза относительно того, что охлаждаем, то мощность теплового излучения увеличивается в 16 раз.
            0
            Так понял, что там проблема не с теплоотдачей радиаторов, а переноса энергии от приемников к радиатору.
              0
              и видимо, проблема а том, что работают они в невесомости, массоперенос в таких условиях, видимо, изрядно отличается.
                0
                По идее, там должна быть принудительная циркуляция…
              0
              Только температура в законе Стефана — Больцмана в кельвинах. И чтобы нагреть в два раза, например с 30°С, придется греть до 333°С.
                +1
                но нагрев даже на 30 градусов относительно нуля по цельсию (т.е. всего на 10%), из-за 4-й степени получаем теплосброс больше в полтора раза. а нагрев на 60 — в 2.2 раза.
              +1
              пинок дают (на МКС, например) с помощью аммиачных холодильных установок. Хотя они тратят энергию, и соотвественно сам требуют дополнительного охлаждения — они нагревают радиатор сильнее (емнип, градусов на 60), чем температура среды из которой они тепло отводят. а т.к. мощность, излучаемая радиатором (т.е. отводимая) пропорцинальна четвертой степени температуры — такой догрев позволяет отводить больше тепла.
              да, кстати, аммиачные системы- считаются «низкотемпературными», а пытались сделать высокотемпературную, чтоб хотя б градусов 600-700 по кельвину, но об успехах не знаю.
                0
                Вообще солнечная постоянная ~1365 Вт/м2. Так что еще нужно спроектировать систему так, чтобы радиаторы не стали отопительной батареей :)
                  +1
                  Именно поэтому они располагаются перпендикулярно солнечным батареям, что хорошо видно на фотографии выше.
              +1

              Мне кажется чертовски логичным предположить, что системами обеспечения теплового режима занимаются люди, немного слышавшие о солнечной постоянной...

                0
                Напомнило историю с орбитальным телескопом Хаббл.

                Когда его собирали то техник-сборщик слегка ошибся при позиционировании главного зеркала телескопа — всего на 1.5мм — недокрутил какую-то там фигнюшку или что-то типа того. Зеркало стало непригодным для работы. Он это заметил, сам попытался исправить и прикрутил сбоку какую-то шайбу что бы исправить положение. Но это не помогло. Техник плюнул на всё это и оставил как есть. Телескоп стал непригоден для работы. От слова совсем.

                Это всплыло на тестах. Результаты тестов просто были проигнорированы да и всё. Непригодный для работы телескоп вывели на орбиту.

                Только после того, как телескоп начал выдавать какие-то мутные картинки, создатели начали что-то подозревать.

                Для испрвления бага понадобилось изготовить специальную большую линзу, кривизна которой компенсировала багливость главного зеркала телескопа. Затем понадобилось запускать Шаттл с линзой в грузовом отсеке, стыковаться с Хабблом, выходить в открытый космос и там ставить эту линзу, для которой не было изначально предусметрено никаких посадочных мест. Всё приключение заняло несколько лет и стоило дорого. Виноватым объявили стрелочника-сборщика но потом как-то быстро забыли о нём.
                  +1
                  …недокрутил какую-то там фигнюшку или что-то типа того … техник плюнул на всё это и оставил как есть
                  Вы это по телевизору услышали или в газете прочитали? Таки да, пишут, что таки техник и шайба.

                  Дефект главного зеркала.
                    0
                    Точнее коряво было установлено не зеркало в телескопе, а линза главного из трёх приборов контроля кривизны зеркала на заводе-изготовителе. Причём производитель решил, что два других наверное врут и положил большой и толстый на это дело. Оказывается, не только у нас так…
                    Null corrector
                    Отчёт комисии НАСА (стр 42)
                    0
                    Extreme Ultraviolet and X-ray Irradiance Sensors (EXIS)направлен на Солнце, измеряет инсоляцию (облучение солнечными лучами) и может фиксироватьпотенциально опасныесолнечные вспышки.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое