Il controllo di puntamento del James Webb Space Telescope

The James Webb Space Telescope is one of the most ambitious projects in the history of space exploration which aims to observe the first light, study the formation and evolution of galaxies, study the birth of stars and planetary systems, looking for information on their possible habitability. The purpose of this paper is to study which are the components of this telescope that allow you to meet the aiming requirements necessary to achieve mission objectives. For this reason the JWST uses special systems that allow to minimize errors due to control, measurements and jitter. A Fine Guidance Sensor is used which, through a near infrared (Near IR) camera, a pick-off mirror and a system of three collimated mirrors, allows the pointing of both moving objects and fixed ones. Then, a Multilevel Compound Pointing Control Techniques is used to allow dialogue between the components of the Attitude Control Subsystem using an algorithm designed ad hoc for the spacecraft considered. The MCPCT also takes care of damping internal vibrations due to the rotors inside the bus and other moving parts. In the case of the JWST, the control is on three levels and includes Reaction Wheels, isolation struts and Fast steering mirrors. The Reaction Wheels are momentum wheels based on the principle of conservation of the angular momentum and allow to modify the attitude of the spacecraft according to the target to be observed. However, these systems cause vibrations inside the satellite and for this reason it is necessary to implement structures during their assembly that allow to isolate the bus and thus obtain a more precise and stable pointing. Finally, a fundamental element to minimize the jitter error is the fast steering mirror: a mirror positioned at the end of the optical path of the light that has the task of focusing the incident light in the best possible way in the sensors used for data collection. . These elements are fixed by an X-Flexure mechanism that allows a stable anchoring that does not compromise data collection and also allows the use of Voice Coil Actuators for micro-movements of the mobile mirror. This paper highlights the complexity of designing a space system due to the multitude of different elements that are part of it, each with different operating characteristics and also analyze how these components have harmful effects on the operating conditions of the spacecraft.

Il James Webb Space Telescope è uno dei progetti più ambiziosi della storia dell'esplorazione spaziale che si propone come obiettivi l'osservazione della prima luce, lo studio della formazione e l'evoluzione delle galassie, lo studio della nascita delle stelle e dei sitemi planetari, andando a ricercare informazioni sulla loro possibile abitabilità. Lo scopo di questo elaborato è quello di studiare quali sono le componenti di questo telescopio che consentono di soddisfare i requisiti di puntamento necessari al raggiungimento degli obiettivi di missione. Per questo motivo il JWST utilizza appositi sistemi che consentono di minimizzare gli errori dovuti al controllo, alle misurazioni e al jitter. Viene quindi utilizzato un Fine Guidance Sensor che tramite una camera per il vicino infrarosso (Near IR), un pick-off mirror e un sistema di tre specchi collimati permette il puntamento sia di oggetti in moto sia di oggetti che possono essere considerati fissi. Viene quindi utilizzato un Multilevel Compound Pointing Control Techniques che consente il dialogo tra i componenti dell'Attitude Control Subsystem utilizzando un algoritmo studiato ad hoc per il segmento spaziale considerato. Il MCPCT si occupa inoltre di smorzare le vibrazioni interne dovuto ai rotori interni al bus e alle altre parti mobili. Nel caso del JWST il controllo è a tre livelli e comprende Reaction Wheels, puntoni di isolamento e Fast steering mirrors. Le Reaction Wheels sono ruote di momento che basano il loro funzionamento sul principio di conservazione del momento angolare e permettono di modificare l'assetto dello spacecraft a seconda del target da osservare. Questi sistemi causano però vibrazioni interne al satellite e per questo è necessario implementare al loro assemblaggio delle strutture che permettono di isolare il bus e ottenere quindi un puntamento più preciso e stabile. Infine un elemento fondamentale per ridurre al minimo l'errore di jitter è il fast steering mirror: uno specchio posizionato alla fine del percorso ottico della luce che ha il compito di focalizzare al meglio la luce incidente nei sensori che vengono utilizzati per la raccolta dei dati. Questi elementi sono fissati tramite un meccanismo X-Flexure che consente un ancoraggio stabile che non compromette la raccolta dei dati e permette inoltre l'utilizzo di Voice Coil Actuators per dei microspostamenti dello specchio mobile. Questo elaborato mette in luce la complessità di progettazione di un sistema spaziale per via della moltitudine di elementi diversi che ne fanno parte, ognuno con caratteristiche operative differenti andando anche ad analizzare come questi componenti abbiano effetti nocivi sulle condizioni operative dello spacecraft.