題:
太空科學儀器要貴多少?
SF.
2018-06-04 01:39:05 UTC
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關於夜間火星天空有多冷?還是那一天呢?讓我感到奇怪。與航天器或著陸器的科學儀器相比,航天器或著陸器的科學儀器要貴多少?

我花了5美元買了一個袖珍的紅外測溫儀。然後湯姆·斯皮克(Tom Spilker)評論說:“如果總費用為3兆美元,通常很難在任務中使用一種儀器。”價格會定期膨脹嗎?我希望係數在1000x到10,000x之間。但這是百萬分之一。在典型的著陸器和探測器上有一堆非常簡單的傳感器。從批發商那裡批量購買時,溫度傳感器(正常的,不是紅外的),加速度計,霍爾傳感器,麥克風等的價格通常不到1美元。

確保集成的成本很高。測試很昂貴。送貨到目的地非常昂貴。但是有百萬分之一?看起來像什麼?

說,我是好奇號設計團隊的一員,我想要最簡單,最便宜的紅外傳感器,其精度為1開爾文(比我們目前的估算高100倍)附著在機械臂上。它需要兩個觸點來接通電源(以打開/關閉),並且兩個觸點需要將一個電流傳遞給遙測的ADC。將手臂對準要測量的物體(使用已有的相機),在3秒的測量中花費幾毫安,在上游傳遞兩個字節的數據。一米左右的電線將是最昂貴的部分,重約3克,而將其運送到火星所花費的成本超過其黃金重量。不過,我仍然無法想像超過5萬美元。實際的成本細分是什麼樣的?

您的袖珍溫度計可能不像宇宙飛船那樣精確,可靠,能夠承受由於火箭發射而引起的振動。您也可以將其與化學實驗室中的一種專業用途進行比較。
@ManuH:貴100倍嗎?仍然剩下4個數量級。
請記住,這些工具通常是一次性的,而不是批量生產的,這是驅動成本的最高點,因為您無法攤銷(高得多的)開發成本。
@PlasmaHH應該添加到現有答案中或單獨發佈為答案。答案中描述的測試可能比用於地球的測試更昂貴,但並不貴很多個數量級。阻止這些成本攤銷的是小規模生產。
注意收益減少的原則。將工具從50%的工作時間提高到75%的時間工作比將工具從75%的工作時間提高到接近100%的時間工作要容易得多。 **追求完美並不划算**。消費品只能改善到盡可能節省成本的程度。由於火星附近沒有商店,因此不可能獲得替換零件,這極大地改變了成本效益與零件可靠性之間的優先順序。
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@SF .:(1)如果物體被粗略搖動時容易斷裂;當震動發生時,所有這些物體都可能同時破裂。冗餘解決的唯一問題是生產缺陷。如果生產缺陷很常見,甚至只是預期/可以接受,那麼對任務成功率的擔憂就會更多。 (2)“確認設備在火星條件下有10%的時間能正常工作”該測試的成本很高,因為不可能去火星進行測試。除非您真正去火星,否則您只能擁有_theoretical_測試方案。
@SF:出於完整性考慮,冗餘還可以解決單個對象發生的問題,例如如果您有30支槍,則它們不會同時卡死(這是在每支槍的基礎上發生的-冗餘是有意義的,以確保擁有未卡住的槍)。但是,大多數與空間有關的問題本質上都是“環境”問題,這將同時適用於所有多餘物體(例如,槍支不能在水下使用)。
“從批發商那裡批量購買時,通常價格不到1美元的東西”-如果您擁有價值數百萬美元的火箭,能夠將東西發射到軌道上(或超出軌道),那麼僅僅扎一堆就沒有經濟意義。的El-cheapo \ $ 1傳感器裝上了,希望有最好的。一次失敗的任務_vastly_的成本超過了獲得像樣的傳感器的成本,這些傳感器實際上已經過評估並針對它們生存所需的條件進行了測試。
_天價地_更貴。 -rimshot-
@aroth:是的,但我認為應該改用40美元的“工業/硬化”版本,並嘗試使其能夠在某些情況下倖免於難(某些情況下通常具有出色的儲備;額定溫度為-40C,仍可在-160下工作),然後使其一式三份。我對極端嚴苛的組件表示完全滿意,這意味著一旦出現故障,任務就會結束。但是我相信最好是包含一個擁有30%失敗機會,花費2萬美元的小型儀器,而不是包含<1%失敗機會的等效儀器,因為您沒有500萬美元的成本。
此外,我發現一堆傳感器的額定值為特定範圍,因為它們具有非線性特性,在額定範圍內僅偏離線性一點。因此,除了使用簡單公式result = readout * multiplier + offset之外,您必須使用通過手動校準準備的查找表才能獲得正確的結果(精度也比簡單公式好得多!)-溫度計芯片在-80°C,但在此溫度下會降低約20°C,並且在焊料融化時仍能工作,再降低另一個(但始終相同)40°C,因此只能將其額定為“ + 4C〜+ 60C”
沒有人提到,與地球相比,需要設計半導體技術來解決或屏蔽太空中大量電離輻射。
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@SF。您所做的就是重複我說的-它需要考慮
@OrangeDog:您寫了“專為帳戶設計”。無需設計/重新設計模擬電路即可;它會按原樣運行-在處理收集到的數據時,所有的“會計”工作都會在地球上完成。
@SF。如果在探針中處理則不
讓我們[繼續聊天中的討論](https://chat.stackexchange.com/rooms/78526/discussion-between-sf-and-orangedog)。
六 答案:
0xDBFB7
2018-06-04 05:54:55 UTC
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序言:我距離太空電子領域的專家還很遙遠。我認為我無法權衡這些傳感器的實際數量,這是標題問題。我所能提供的只是關於錢可能去向的未經教育的瘋狂漫步。

讓我們比喻一個便宜的熱傳感器。實際上,讓我們指定一個現成的 Melexis零件

首先,您會注意到數據表指出該傳感器的特性介於-40至125c之間。火星之旅將經歷數月的巨大熱循環……傳感器將在該溫度範圍之外工作嗎?如果是這樣,那麼鏡頭在-40c以下時會破碎的可能性有多大?精度如何?

回答這些問題可能需要在熱循環室內以及具有適當資格的工程師或科學家中花費幾個月的時間,而這兩種方法都不便宜(特別是對於政府承包商而言)。僅此一項測試就可能需要花費$ 10-50k。人們可能會忽略它,但是幾乎可以肯定的是,到達紅色星球後您將擁有一個無法正常工作的傳感器。

說出您一個聰明的主意,就是像大多數人一樣主動控制傳感器的溫度航天器系統。

現在,您不僅有4條線連接到您的傳感器;您擁有熱敏電阻,加熱器,並且需要一個足夠堅固的溫度控制系統,以使軟件鎖定不會使可憐的小輻射熱計(以及該附件上的所有其他傳感器)達到600K。

為此,您將需要嵌入式軟件工程師,熱FEA人員來設計您的散熱器,需要行業的參與才能為您建造那些精美的定制加熱器(現在使您陷入承包間接費用的危險)等。所有這些經驗豐富的人都會輕易地使您的成本超過30萬;請記住,員工的費用通常約為薪水的兩倍。

現在考慮對以下各項進行測試:

  • 除氣;如果其他使用其他傳感器的科學家發現您的某些紅外探測器沉積在其光譜儀和反射鏡上,可能會有些生氣。
  • 輻射耐受性;在苛刻的中間空隙中,在帶電粒子和宇宙射線不斷轟擊下,傳感器將如何退化?
  • 以及數十個其他繁瑣而昂貴的參數。

那就是數量級的來源。本質上,傳感器的成本將來自需要專心盯著傳感器一段時間的人。

另一方面,肯定有一個新興市場,價格便宜,更簡單的航天器,對以上所有方面的要求都降低了。對於廉價,短距離的任務(例如CubeSats)而言,替換任務不會過分令人反感,人們確實會使用COTS傳感器;一個項目甚至使用了完整的標準智能手機為其衛星供電。

但是,在長途旅行中,更簡單,特徵更少的解決方案很可能會失敗,並且也許在資助機構對成功的要求的壓力更大的情況下,設計人員將放心使用,並多花一些錢。

您可以發布指向該手機衛星的鏈接嗎?
@MagicOctopusUrn我認為這是我所指的:https://amsat-uk.org/satellites/telemetry/strand-1/
嗯...我想是Android或Nexus。想像一下使用iPhone與任何物體進行交互(我不知道發射後(笑話)它們如何將AUX輸入的電纜連接到衛星)。謝謝您的來信:)。
Tom Spilker
2018-06-04 08:21:14 UTC
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我將與其他兩個陳述清楚的答案相呼應。除了所有測試之外,還有一個問題:“如果儀器未通過測試,您會怎麼做?”

您可能會在Home Depot或甚至Omega Engineering也可以在地球環境中工作,並且具有一定的優勢。但是沒有太大的餘量;這使該儀器比競爭對手的儀器昂貴,並失去了業務。請注意,提到的Melexis儀器@ Giskard42的溫度範圍為-40至+125C。在地球表面,您可以得到較低的溫度。火星的溫度比夜晚的溫度低!

Melexis的工程師肯定會在該過程的早期徵詢他們的意見,他們立即表示要在不添加加熱器的情況下處理火星的溫度。這些組件中的一部分必須替換為更具彈性且更昂貴的零件。但是,與合併零件所需的重新設計成本相比,這些零件的成本相形見pale。彈性較大的部件很少會完全像原始部件那樣工作,或者完全適合原始部件,因此,即使不需要重新設計,也必須重新分析和測試操作特性。添加加熱器也將是一種重新設計。

熱鑑定只是空間鑑定的一部分,這是NASA漫長的過程,需要用於除最小的NASA以外的所有零件的硬件太空飛行任務。但是對於COTS硬件,通常這並不是最難的部分。

@ Giskard42已經提到輻射耐受性。對於星際任務,這通常是COTS硬件最難的部分。現代微電路(例如ADC)的特徵尺寸非常小,它對諸如原始宇宙射線和太陽輻射(尤其是太陽質子)等來源的輻射效應敏感。一次命中會導致單事件動盪,位翻轉甚至可怕的閂鎖。符合飛行要求的硬件需要證明(通過測試)一定程度的輻射耐受性,有時需要冗餘的子組件或組件,而這在現成的儀器中是找不到的。未經修改的COTS零件或組件通常無法通過輻射測試,這通常意味著需要重新設計,而且價格昂貴。其他人想要此小部件的空間限定版本。

但是購買空間限定工具並不是金錢故事的終點。您還必須付錢給必須進行儀器調節的航天器工程師。您的儀器是唯一需要+9 VDC而不是航天器標準的28 VDC的儀器嗎?然後,您需要付錢給工程師設計航天飛機電源系統中的9 V電源組件,並設計和運行線束的該部分。您還需要付錢給熱力工程師,以驗證熱力設計是否足夠,甚至在其進入振動台(如@PearsonArtPhoto所述)並進入熱真空室之前。您的儀器會產生干擾其他航天器系統的信號嗎?經過EMI培訓的工程師將對此進行檢查。有一個您要付費的儀器團隊,一個由該項目付費的航天器團隊,將這一過程貫穿始終。對於便宜的硬件,這是最昂貴的部分。

根據我對Voyager,Cassini,Genesis和Rosetta的經驗以及很多的任務概念研究和建議,我已經看到一些用於行星際任務的工具以數百萬美元的價格出現美元,但數量不多。多數為數千萬美元,而真正複雜的貨幣可以為其加上零。我很想知道開普勒儀器的成本,但是一個執行秘書通常會在非常接近胸部的情況下保存競爭任務的成本細分數字。

最後一點。在1990年代,在 Dan Goldin擔任NASA局長期間,NASA嘗試了廉價飛行任務的方法,以實現更多飛行任務。但是由此導致的一系列令人尷尬的失敗(例如 Mars Polar Lander和它攜帶的DS-2儀器衝擊器)結束了這種做法,Dan不久後辭職了。 NASA容忍失敗,尤其是在(對公眾和國會而言)高度可見的大型任務中,並且願意花很多錢來防止失敗。

什麼是PI? (“但是,PI通常會在非常接近胸部的位置執行競爭任務的成本細分數字。”)
@ANeves糟糕,抱歉,有些行話悄悄出現了! “ PI”是*主要調查員*。對於NASA競爭激烈的任務計劃之一(例如Discovery或New Frontiers),他們是科學家,對他們領導的任務項目的成功負有責任,並直接向NASA總部報告。在NASA直接擔當此角色的“定向”任務中,PI是一名科學家,負責NASA選擇在任務中飛行的一種儀器。在這種情況下,PI會向項目科學家報告,儘管他們無論如何還是經常直接與NASA總部人員交談。
所有這些嚴肅工程的好處是,儀器和航天器通常遠遠超過其計劃的使用壽命。機會漫遊者預計將持續3個月;截至2018年6月14年*之後,它仍在交付。
@JoeMcMahon好點!當設計生存率達到任務計劃的結束時的可能性為95%時,生存概率為50%的生存期將更長。
出於完整性考慮,@ANeves +具有一個首席研究員作為受資助研究項目的技術/科學負責人和經理/預算者的模型,現在幾乎在所有科學領域(至少在美國)都在使用這種模型。
PearsonArtPhoto
2018-06-04 05:18:55 UTC
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僅是給您一個想法,這是成本的降低方式。

為了經受振動測試,還需要將COTS版本與其他材料一起拆開。它需要編寫某種軟件來將數據發送到航天器。需要進行一些測試以查看該儀器是否可以在火星上運行。散熱問題確實非常重要,需要對其進行測試以確保其在火星上正常工作。可能需要施加一些熱量,或者蓋上隔熱墊,或者類似的東西。另外,別忘了塑料將需要運走,因為它是放氣的潛在來源。

最重要的是,這樣的工具可以很好地工作,但是可以做到。但是您可能至少需要進行1個人工年的工程設計,才能將這種儀器安裝到航天器上。以30萬美元的標準匯率計算,這就是您大部分資金的來源。

您將真正獲得什麼?我們實際上有火星的熱圖。 http://tes.asu.edu/monitoringmars/index.html。精度在幾度以內。溫度不太可能隨點而變化。但從理論上講,這是可以做到的。

我喜歡我們如何獨立地估計工時的完全相同的費率。
我想我們倆都有經驗嗎?但是我本來可以從$ 250-400k不等,所以...
Loren Pechtel
2018-06-04 10:05:02 UTC
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到目前為止,還沒有人涉及的另一個因素。在地球上,我們不太關心大多數樂器的電源使用情況。電力便宜,很少有值得做的事,以降低電力消耗。

在火箭上,電力要么來自太陽能電池(您必須付費將其提起,而電池則需要支付它們被隔絕在陽光下)或核電池(對於Pu-238而言,它們的供不應求,更不用說舉起它的重量了。)

您還必須關注什麼成為那種力量。完成後,它通常會掉入大氣中。大多數航天器不是在大氣層中運行,因此消除餘熱是一個更大的問題。

很好點!一位工程師經過Hades來獲取供人們使用的儀器或子系統的動力,然後,一旦使用,*另一位*工程師經過Hades擺脫了!
jeancallisti
2018-06-05 14:31:20 UTC
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如果您認為“ 一百萬到一百萬”的價格因素並不是太瘋狂:您的袖珍溫度計可能製造了超過一百萬本。空間熱法僅製作一次(或五次,頂)。因此,就是成本比率。

Reactgular
2018-06-06 07:27:28 UTC
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我只想指出火星探路者由8085 CPU提供動力。 最初於1976年發布的,因為它是批量生產的產品而被使用。

使用批量生產技術有許多優點。您會從使用它的眾多客戶那裡獲得可靠性的統計證據。

工程師可以通過添加/刪除/更新組件,然後設計一個完整的替代方案來更輕鬆地“對現有技術進行空間驗證”

英特爾8085的最小功能尺寸為3微米[https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8085],與運行亞微米的當前工藝相比,該尺寸非常大。 *方式*亞微米!去年,英特爾宣布實施10- *納米*米功能尺寸[https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/processors/intel-now-packs-100million-transistors-in-each-square-mmimeter] 。較小的功能尺寸是Melexis如何將檢測器和信號處理器包裝在TO-39罐中。不幸的是,較小的特徵尺寸會顯著提高輻射敏感性。
@TomSpilker是的,但是您可以將其包裝在保護盒中。不能嗎
關鍵是在適當的環境中進行測試:熱,輻射等。如果無需大量的工程“防空間”工作就可以使COTS部件工作,那麼就沒有理由不這樣做。但這通常不是這種情況。
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@TomSpilker是正確的,但是無論他們是否構建自定義組件或購買現有組件,測試成本都可能是相同的。您還可以測試一組組件,並查看哪個組件最合適。
@cgTag它取決於被屏蔽的設備,輻射環境和暴露時間。紅外傳感器不能被屏蔽,必須要注意!太陽質子相對較容易屏蔽,但是主要的宇宙射線會在屏蔽層中產生致輻射,從而加劇了輻射環境。木星輻射帶中的粒子也產生大量的ms致輻射。設計屏蔽本身可能是一項艱鉅的工程任務(但對於火星任務而言可能並非如此)。屏蔽還會產生散熱問題。
@richardb您指的是“它”?
@TomSpilker 8085處理器是Sandia對Intel部分的重新設計。 (http://www.sandia.gov/media/rhp.htm)
@richardb阿哈!桑迪亞(Sandia)進行的重新設計可能意味著國防部對此感興趣,因此更具挑戰性。非常感謝您的輸入,這非常有幫助。
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