Jak działa telefon domowy Jamesa Webba Telescope?

Jeśli chodzi o cuda inżynierii, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, technologia, o której mowa, jest tak wyspecjalizowana, że ​​przeciętny człowiek nie może się z nimi naprawdę odnieść. Mówimy o obserwatorium na podczerwień o wartości 10 miliardów dolarów, które działa w temperaturze 50 K (-223 ° C; -370 ° F), 1,5 miliona km (930 000 mil) od Ziemi – nie spodziewałbyś się, że będziesz dzielić jakiekolwiek części z komputerem normalny telefon komórkowy.

Ale opinii publicznej będzie łatwiej zrozumieć, jeśli tak jest. Nie jest więc zaskakujące, że w tym tygodniu kilka witryn technicznych pojawia się na pierwszych stronach gazet na temat „małego dysku półprzewodnikowego” wewnątrz Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Byli zdumieni zdolnością obserwatorium do dostarczania tak oszałamiających obrazów przy zaledwie 68 GB pamięci na pokładzie, czyli o liczbie mniejszej, niż można by się spodziewać w dzisiejszych smartfonach średniej klasy. Skupienie się na dysku półprzewodnikowym (SSD) i jego stosunkowo małej pojemności dały tym artykułom standard łatwo zrozumiały dla laików. Nawet jeśli jest to błędne porównanie, czytelnicy wymyślili zabawny fakt na temat chłodnicy wody -”Mój komputer ma większy dysk niż komputer Jamesa Webba. „

Oczywiście wiemy, że NASA nie zaatakowała eBaya, aby uzyskać przestarzały dysk SSD Samsung EVO, aby dołączyć do ich obserwatorium kosmicznego nowej generacji. Faktem jest, że dysk SSD, Oficjalnie znany jako Solid State Recorder (SSR), jest specjalnie zaprojektowany, aby spełnić dokładne wymagania misji JWST; Jak każdy inny element statku kosmicznego. Podobnie jego nieco nietypowa pojemność 68 GB to nie tylko arbitralna liczba, została ona obliczona właśnie ze względu na potrzeby znajdującego się na pokładzie przyrządu naukowego.

Przy tak dużym zamieszaniu na temat pojemności Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba lub jej braku w wiadomościach, wydawało się, że to doskonały czas, aby zanurzyć się nieco głębiej w tym podsystemie obserwacyjnym. Jak jest używany SSR, jak inżynierowie wylądowali na tej konkretnej amplitudzie i jak jego konstrukcja wypada w porównaniu do poprzednich teleskopów kosmicznych, takich jak Hubble?

Wysoka prędkość w głębokiej przestrzeni

Potrzeby komunikacyjne Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba postawiły inżynierów przed szczególnie trudnym wyzwaniem. Aby osiągnąć swoje cele naukowe, statek kosmiczny musi znajdować się daleko od Ziemi, ale jednocześnie wymagana jest duża przepustowość, aby wszystkie zebrane dane zostały zwrócone na czas.

Aby ułatwić ten transfer danych, JWST ma antenę o dużym zysku (HGA) o długości 0,6 m (2 stopy) na mocowaniu zawiasowym, które umożliwia jej powrót na Ziemię niezależnie od aktualnej orientacji obserwatorium w kosmosie. To łącze w paśmie Ka zapewnia maksymalną teoretyczną przepustowość 3,5 Mb/s Sieć kosmiczna NASA (DSN)chociaż rzeczywista osiągalna szybkość transmisji danych zależy od wielu czynników.

Niestety, to szybkie łącze z Ziemią nie zawsze jest dostępne, ponieważ DSN musi pogodzić komunikację z wieloma odległymi statkami kosmicznymi. Przy bieżącym wykorzystaniu sieci, okno JWST przeznaczane jest każdego dnia na transmisję danych po dwa czterogodzinne okna. Na papierze oznacza to statek kosmiczny powinien Możliwość wysłania na Ziemię nieco ponad 100 GB danych w ciągu 24 godzin, ale w praktyce należy wziąć pod uwagę inne kwestie.

Po pierwsze, antena o dużym wzmocnieniu nie może stale śledzić gruntu, ponieważ jej ruch wytwarza niewielkie wibracje, które mogą zrujnować dokładne obserwacje. Zamiast tego jest Porusza się co 2,7 godziny Aby utrzymać planetę w promieniu anteny. Notatki na ten temat należy planować, gdy tylko jest to możliwe, ale nieuchronnie w końcu dojdzie do konfliktu. Albo trzeba będzie odciąć szybką transmisję danych, albo wstrzymać długoterminowe sprzężenie zwrotne na czas ponownego ustawienia anteny. Planiści misji będą musieli dokładnie rozważyć swoje opcje, przy czym kluczowym czynnikiem prawdopodobnie będzie naukowe znaczenie danej obserwacji.

Należy również wziąć pod uwagę przestoje na obu końcach łącza. DSN może chwilowo nie być w stanie odbierać transmisji lub może występować problem na pokładzie statku kosmicznego, który uniemożliwia regularne zaplanowane nadawanie. Pomiędzy wyzwaniami logistycznymi związanymi ze standardowym łączem w dół obserwatorium a możliwością nieoczekiwanych opóźnień w komunikacji, jedynym sposobem, w jaki James Webb może mieć nadzieję na prowadzenie całodobowych obserwacji, jest użycie dużej pamięci podręcznej danych na pokładzie obserwatorium.

Technologia testów w locie

W kontekście komputerów osobistych dyski półprzewodnikowe są stosunkowo nowym rozwiązaniem. Ale NASA od dziesięcioleci doskonale zdaje sobie sprawę z zalet, a mianowicie lekkości i braku ruchomych części. Agencja kosmiczna nie jest znana z wprowadzania niesprawdzonych koncepcji do pionierskich misji i nie inaczej jest. Używali podobnego podejścia do Kosmicznego Teleskopu Hubble’a od 1999 roku, Kiedy astronauci byli na trzeciej misji serwisowej Zastąp oryginalną pamięć taśmową statku kosmicznego 1,5 GB SSR.

Oczywiście niska pojemność SSR Hubble’a wynika, przynajmniej częściowo, z czasów. Ale i tak było to ogromne ulepszenie, ponieważ magnetofony zastąpione przez SSR mogły pomieścić tylko około 150 MB. Pamiętaj, że rozdzielczość zdjęć uchwyconych przez Hubble’a jest znacznie niższa niż w przypadku JWST, ale komunikacja ze statkiem kosmicznym na orbicie okołoziemskiej jest oczywiście znacznie bardziej niezawodna niż ta w kosmosie.

Przechowuj i przesyłaj dalej

Wreszcie, NASA szacuje, że James Webb powinien być w stanie wysłać nieco ponad 28 GB przez DSN podczas każdego z jego okienek dwa razy dziennie. Aby zapewnić pełny 24-godzinny bufor, statek kosmiczny potrzebuje około 60 gigabajtów pamięci na pokładzie. Dlaczego więc SSR 68 GB? Wynika to częściowo z faktu, że część miejsca jest zarezerwowana do użytku prywatnego obserwatorium. ale także dlatego, że Wyjaśnione przez inżyniera Flight Systems Alexa Huntera, że Widmo IEEEDodatkowa pojemność daje systemowi trochę oddechu, gdy zużycie pamięci flash SSR zniknie w ciągu następnej dekady.

24 godziny mogą nie wydawać się dobrą siatką bezpieczeństwa, ale jest wiele warunków związanych z tą liczbą. W zależności od tego, jakich narzędzi naukowych używa James Webb, rzeczywista ilość danych generowanych każdego dnia może być znacznie mniejsza. Jeśli szybka komunikacja jest utrudniona, kontrolerzy naziemni prawdopodobnie wstrzymają informacje zwrotne o największej ilości danych, dopóki problem nie zostanie rozwiązany. W razie potrzeby NASA może również przeznaczyć dodatkowy czas w DSN na przepracowanie zaległości. Krótko mówiąc, istnieje wystarczająco dużo nieprzewidzianych okoliczności, że pojemność SSR nigdy nie może stać się problemem.

Chociaż z pewnością można znaleźć większy dysk półprzewodnikowy w Chromebooku średniej klasy niż ten, który NASA wysłała niedawno na dziesięcioletnią misję na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba — staranne planowanie i zdrowa dawka najlepszych pieniędzy na inżynierię mogą kup mam na myśli, rozmiar to nie wszystko.

[Editor’s note: Yeah, we know that the graphic shows the JWST radiating from the telescope focus. I’ll take the blame for an insufficiently specific art request on this one. But you do have to admit that they look kinda superficially similar if you’re an artist and not a radio guy.]