Comment fonctionne le télescope domestique James Webb ?

Lorsqu’il s’agit d’une merveille d’ingénierie comme le télescope spatial James Webb, la technologie impliquée est si spécialisée qu’il y a très peu de choses auxquelles la personne moyenne peut vraiment s’identifier. Nous parlons d’un observatoire infrarouge dont la construction a coûté 10 milliards de dollars et qui fonctionne à une température de 50 K (-223 °C ; -370 °F), à 1,5 million de kilomètres (930 000 miles) de la Terre. pour partager toutes les pièces avec votre ordinateur portable habituel.

Mais ce serait beaucoup plus facile pour le public de comprendre si c’était le cas. Il n’est donc pas surprenant que cette semaine, nous ayons vu plusieurs sites technologiques faire les gros titres sur le « petit disque SSD » du télescope spatial James Webb. Ils se sont émerveillés de la capacité de l’observatoire à fournir des visuels aussi incroyables avec seulement 68 gigaoctets de stockage embarqué, un chiffre inférieur à ce que vous attendez sur un smartphone de milieu de gamme ces jours-ci. En se concentrant sur le lecteur à semi-conducteurs (SSD) et sa capacité relativement faible, ces articles ont reçu une pierre de touche facilement compréhensible par un public grand public. Même s’il s’agissait d’une comparaison erronée, les lecteurs ont trouvé un fait amusant pour le refroidisseur d’eau — “Mon ordinateur a un disque plus gros que le James Webb.”

Bien sûr, nous savons que la NASA n’a pas approché eBay pour un SSD Samsung EVO obsolète à stocker dans son observatoire spatial de nouvelle génération. La réalité est que le disque SSD, officiellement connu sous le nom de Solid State Recorder (SSR), est construit sur mesure pour répondre aux exigences exactes de la mission du JWST ; comme n’importe quelle autre partie du vaisseau spatial. De même, la capacité quelque peu inhabituelle de 68 Go n’est pas qu’un nombre aléatoire, elle a été précisément calculée en tenant compte des besoins des instruments scientifiques à bord.

Avec tant de rumeurs sur la capacité de stockage du télescope spatial James Webb, ou son absence, dans les nouvelles, cela semblait être un excellent moment pour plonger un peu plus profondément dans ce sous-système particulier de l’observatoire. Comment le SSR est-il utilisé, comment les ingénieurs sont-ils arrivés à cette capacité particulière et comment la conception se compare-t-elle aux télescopes spatiaux précédents comme Hubble ?

Grande vitesse dans l’espace lointain

Les besoins en communication du télescope spatial James Webb ont posé un défi particulièrement important aux ingénieurs. Pour atteindre ses objectifs scientifiques, le vaisseau spatial doit être placé loin de la Terre, mais en même temps, une quantité importante de bande passante est nécessaire pour renvoyer toutes les données collectées en temps opportun.

Pour faciliter ce transfert de données, le JWST dispose d’une antenne à gain élevé (HGA) en bande Ka de 0,6 mètre (2 pieds) de diamètre sur un support pivotant qui lui permet d’être pointé vers la Terre quelle que soit son orientation actuelle. espace. Cette connexion en bande Ka offre une bande passante maximale théorique de 3,5 Mbps sur le Deep Space Network (DSN) de la NASA, bien que le débit de données réellement réalisable dépende de nombreux facteurs.

Antenne en bande Ka de JWST (à gauche), à ​​côté de l’antenne de télémétrie en bande S

Malheureusement, cette liaison à haut débit vers la Terre n’est pas toujours disponible, car le DSN doit jongler avec les communications avec de nombreux engins spatiaux distants. Avec l’utilisation actuelle du réseau, le JWST s’est vu allouer deux fenêtres de quatre heures par jour pour le transfert de données. Sur le papier, cela signifie que le vaisseau spatial devrait peut envoyer un peu plus de 100 Go de données sur Terre en 24 heures, mais en pratique, il y a d’autres problèmes à prendre en compte.

Pour commencer, l’antenne à gain élevé ne peut pas suivre la Terre en permanence car son mouvement produit de légères vibrations qui pourraient ruiner des observations délicates. Au lieu de cela, il se déplace toutes les 2,7 heures pour maintenir la planète dans la largeur de faisceau de l’antenne. Dans la mesure du possible, des observations seront planifiées autour de cela, mais inévitablement, des conflits finiront par surgir. Soit la transmission de données à grande vitesse doit être interrompue, soit de longues observations doivent être interrompues pendant le réalignement de l’antenne. Les planificateurs de mission devront peser soigneusement leurs options, probablement en fonction de l’importance scientifique de l’observation en question.

Il y a aussi des temps d’arrêt à prendre en compte, aux deux extrémités du lien. Le DSN peut être temporairement incapable de recevoir des transmissions, ou il peut y avoir un problème à bord du vaisseau spatial qui l’empêche d’effectuer sa transmission programmée régulière. Entre les défis logistiques associés à la liaison descendante par défaut de l’observatoire et la possibilité de retards de communication imprévus, la seule façon dont James Webb pourrait espérer faire des observations 24 heures sur 24 est avec une importante mémoire cache de données à bord.

Technologie testée en vol

Le SSR de 1,5 Go de Hubble

Dans le contexte de l’informatique personnelle, les disques SSD sont un développement relativement nouveau. Mais la NASA est consciente des avantages depuis des décennies, à savoir un poids réduit et un manque de pièces mobiles. L’agence spatiale n’est pas connue pour appliquer des concepts non testés à des missions phares, et ce n’est pas différent. Ils utilisent une approche similaire au télescope spatial Hubble depuis 1999, lorsque les astronautes de la troisième mission de maintenance ont remplacé le stockage sur bande d’origine du vaisseau spatial par un SSR de 1,5 Go.

Bien sûr, la capacité inférieure du SSR de Hubble est, au moins en partie, due à l’époque. Même alors, il s’agissait d’une mise à niveau, car les magnétophones remplacés par le SSR ne pouvaient contenir qu’environ 150 Mo. A noter que la résolution des images capturées par Hubble est nettement inférieure à celle du JWST, mais les communications avec les engins spatiaux en orbite sont naturellement beaucoup plus fiables que celles dans l’espace lointain.

Enregistrer et transférer

Tout bien considéré, la NASA estime que le James Webb devrait pouvoir envoyer un peu plus de 28 Go sur le DSN lors de chacune de ses fenêtres biquotidiennes. Ainsi, pour fournir une mémoire tampon complète de 24 heures, le vaisseau spatial aura besoin d’environ 60 Go de stockage à bord. Alors, pourquoi le SSR est-il de 68 Go ? Une partie de l’espace est réservée à l’usage propre de l’observatoire. Mais aussi parce que, comme l’explique l’ingénieur système de vol Alex Hunter, Spectre IEEEla capacité supplémentaire donne au système une certaine marge de manœuvre à mesure que l’usure et le rayonnement diminuent dans la mémoire flash du SSR au cours de la prochaine décennie.

Il peut sembler que 24 heures ne soit pas un véritable filet de sécurité, mais plusieurs conditions sont attachées à ce nombre. Selon les instruments scientifiques réellement utilisés sur le James Webb, la quantité réelle de données générées chaque jour peut être considérablement inférieure. Si les communications à grande vitesse sont entravées, les contrôleurs au sol mettront probablement les observations les plus gourmandes en données en attente jusqu’à ce que le problème soit résolu. Si nécessaire, la NASA pourrait également allouer du temps DSN supplémentaire pour éliminer l’arriéré. En bref, il y a suffisamment de contingences pour que la capacité du SSR ne devienne jamais un problème.

Ainsi, bien que vous puissiez certainement trouver un disque SSD plus grand dans un Chromebook de milieu de gamme que celui que la NASA a récemment envoyé pour une mission d’une décennie à bord du télescope spatial James Webb – une planification minutieuse et une bonne dose du meilleur argent d’ingénierie peut acheter signifie que la taille n’est pas tout.

[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.]

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