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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman 1 Ramam Laser Spectrometer (RLS) para Exomars: estado actual

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Page 1: Ramam Laser Spectrometer (RLS) para Exomars: estado actual · 2011. 7. 5. · Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman 3 RLS: Diseño ICEU SPU Front End Electronics Module

Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman1

Ramam Laser Spectrometer (RLS) para Exomars: estado actual

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman2

Raman en ExoMars y su evolución

2002: primer estudio ExoMars (CDF)- Lanzamiento 2009

2003: Primera llamada a propuestas carga útil

Raman (externo/interno) + LIBS (externo/interno)

2007: Confirmación Carga útil – Fase B – Lanzamiento 2011

2008: Raman (externo/interno) + LIBS (externo)

Raman (externo/interno)

PDR de Sistema – Lanzamiento 2013

2009: PDR de Instrumentos

PCR#2 Redefinición Misión (sin brazo externo) – Lanzamiento 2018

Comienzo Fase B Extendida

Raman (interno) + muestra en polvo + nuevo concepto espectrómetro

2011: Delta-PDR de Sistema

Preparación fase C/D

Redefinición Rover único- ¿Nueva fase B?– ¿Lanzamiento 2018?

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman3

RLS: Diseño

ICEU

SPU

Front End Electronics

Module

Focal Plane

Assembly

IOH

DATABUS Power Bus

ProcessorModule

RLS Instrument Block Diagram

A/FDC/DC CV

PumpDiodePump

DiodeOptics

Power Module

Thermal Control

Ctrl & Data lines

Power Distribution

The Raman Laser Spectrometer (RLS) is one of the Pa steur Payload instruments onboard ExoMars 2018. It weighs ~ 2.3 kg.

The RLS Instrument will perform Raman spectroscopy on crushed powdered samples inside the Rover’s ALD (Analytical Laborato ry Drawer).

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman4

RLS: Diseño

ICEU

SPU

iOH

ICEU

SPU

iOH

The RLS Instrument is composed of the following uni ts:

�SPU Spectrometer Unit

�iOH Internal Optical Head

�ICEU Instrument Control and Excitation Unit, including a s well the Laser

�Others: Electrical & Harness , optical harness , software and the calibration target .

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman5

RLS: Diseño

Principales características del instrumento�Laser excitation wavelength: 532 nm� Irradiance on sample: 0.6 – 1.2 kW/cm 2

� Spectral range: 150-3800cm-1� Spectral resolution: 6 cm-1 lower spectral wavenumb ers; 8 cm-1 long spectral wavenumbers� Spectral accuracy: < 1 cm-1� Spot size: 50 microns

CarbonatesSulphates

Biosignatures

Water / Hydrates

range

CarbonatesSulphates

Biosignatures

Water / Hydrates

range

Science capabilities within Raman Shift range of 100-4000 cm-1

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman6

RLS: Equipo de Trabajo

España:Investigador Principal (PI)Instrument Project Manager (IPM)Organización y gestión del consorcio europeoGarantía de Producto y protección planetaria a nivel consorcioIngeniería de Sistemas del InstrumentoMontaje, Integración, Verificación, y Calibración a nivel SistemaIngeniería de OperacionesSegmento Terreno: contribución científica al centro de operacionesDesarrollo del espectrómetro (con contribución de otros países)Desarrollo del Láser ubicado en la unidad electrónica (ICEU)Desarrollo de cableado entre unidadesDesarrollo de SW embarcadoDesarrollo de equipo soporte a nivel sistema

Alemania:Desarrollo del cabezal incluyendo mecanismo de enfoque y electrónica asociada.Desarrollo de las conexiones ópticas: fibras ópticas y conectoresReino Unido:Desarrollo del detector CCD del espectrómetro y electrónica de proximidad ubicada en la unidad electrónica (ICEU)Francia:Adjunto al Investigador Principal (Co-IP)Desarrollo de la Unidad electrónica (con contribuciones de otros países)Participación en la calibración del InstrumentoHolanda y USA:Contribución científica

The Team

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman7

RLS: Equipo de Trabajo

OBS: Organisation Breakdown Structure

WBS: Work Breakdown Structure

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman8

RLS: Diseño

� Spectral dispersion of Raman light by means of transmission optics

• Simple holographic grating: 32.8ºAOI ;1800l/mm ; λχ = 603 nm; Efficiency ~75%

• Input AN 0.22

• Magnification 0.7

• EFL 69.5 mm (Collimator)

• EFL 48.8 mm (Collector)

� Registration of light on the e2V CCD (2048x512 pixe ls)

�Transfer of analogue signal to ICEU

�Active cooling for CCD temperature control by means of a TEC device

1

2

3 4

5

6 7 8 9

10

11 12 13

14 15 16 17 18

19 20 21

22 23 24

25

3 Scale: 1.20Positions: 1-3

TBD 20-May-10

20.83 MM

+Z +X

+Y SPU: Spectrometer Unit

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman9

SPU ReflexionConcept

TNO- Netherlands

2009PCR2 recommendations were to increase:• RLS spectral resolution => main impact in grating.• Powdered samples=> lower Raman response => RLS throughput=> increase luminosity => main impact in size and focal of the optics.+RLS mass exceeded + SPU design maturity + SPU thermal accomodation in the ALD

Oct 2009SC Meeting: SPU Transmision concept selected => more compatible with ALD thermal I/F, less sensitive to thermal gradient, better resolutionand , more flexible to future changes. Important to start Grating ValidationPlan =>SpainJune/Oct. 2009

SPU trade-off(Relfexion vs. Transmisionconcept)

Lots of SPU design alternatives that have been studied to improve resolution, to reduce mass, to improve thermal design

April 10 IF TelecconSPU baseline fixed + 2 grating backups not no exeed envelope ALD interferences. Alternatives studied:- Folding Mirror-Change of NA optical fiber.- 0.7 Magnification

SPU DetailedPrelim. Design => “normal”work.

SPU Design Evolution

Jan 10SPU baseline fixed => go ahead SPU BB manufacturing(maintaining+ 2 grating backups envelope)

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman10

TASI I/F meeting November 3rd 2010 => TASI detected some mechanical interferences with MOMA (due mainly to LMC in ALD)

May 24 th 2010 IF/ Meeting => go ahead (up side-down).

Febr. 2011 => Internal SPU trade off (thermoelasticperformance in the complete operative range (+ envelope reduction))

Q2 2012 => Grating & Optical lenses Qualification to be started.

Q3 & Q4 2011: RLS Co-DR & SPU Co-DR ( + Grating procurement to be started => Grating CDR!!!) & lenses validation

SPU Design Evolution

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman11

Current SPU Performances & Design

0.12-0.15nm/pixelResolution

533-676nmSpectral Range

15µµµµmPixel size

35µµµµmImage

0.22AN

50µµµµmInput Fibre

8-10nm/mm

∼∼∼∼1200

0.7

48.77mm

69.53mm

Current Status

M

Dispersion

Extension (pixels)

Focal Length COLLECTOR

Focal Length COLLIMATOR

-10

-10

Max

-40

-40

Min

IRD 7.0

0-40SPU

6 (TEC)-40CCD

MaxMin

E-ICDTRP

12:27:49

1

2

3 4

5

6

7 8

9 10

11 12 13

14 15 16 17 18

19

20 21

22

23 24

25

Lambda=533 Mag=.7 ANO=0.22 Scale: 1.20Positions: 1-3

TBD 06-May-11

20.83 MM

+Z +X

+Y

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman12

RLS: Diseño

IOH: Internal Optical Head

� Active focussing of Laser excitation signal onto the sample (powder) of ±1mm range and 2 µm resolution

� Reception of Raman signal emitted by the sample and focus it on the fiber of the optical Harness (OH)

• Simple aspheric excitation collimator

• Corrected front lens and reception collimator for 537-670nm

• Mini-AVIM receptacle for fiber optic connectors

• 10 deg Raman edge filter to ensure near Raman cut on (< 200cm-1)

Excitationcollimator

Excitation laserlinepass filter

ExcitationLWP Filter Excitation & reception

Lens triplet (front optics)± 1mm focusing stroke

Excitation & receptionLWP Filter

Raman Edge LWP Filter(laser line blocking)

Reception collimatorlens triplet

Excitation Fiber MiniAVIM connector

Reception fiber MiniAVIM connector

UCZ Window(not part of IOH)

Off-centered actuatorMiniAVIM receptacle

OH: Optical Harness� Optical fibers: Transmission of laser light

from ICEU to iOH and Raman light from iOHto SPU

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman13

RLS: Diseño

ICEU: Instrument Control and Excitation Unit

Laser main characteristics

• Laser output power between 32,5 and 39,5 mW•Excitation signal of 531.45 +/- 0.5 nm; FWHM < 0.03n m•Redundant excitation

� CCD clocking, control and readout by means of Front End Electronics (FEE)

�Laser source and Laser control electronics

�Data processing capabilities (8 bit µcontroller, 4MByte RAM, 20 MHz, CANBus communications)

�Internal DC/DC CVs (35 W installed) supplied from +28 V

�Actuator (IOH Autofocus) control, instrument therma l control and HK provisions

Compact redundant laser source

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman14

Laser Vanadate Concept

531.45nm

100mW

2007

• 2 Laser for Raman spectroscopy: one for the External head and one forthe internal head•100mW of output power

2009PCR2:• External head removed: only one laser chain => redundant concept needed•Narrower bandwith required•Reduction of Laser output power

Laser Design Evolution

Laser YAG Concept

532nm

35/50mW

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman15

It was required by ESA to all ExoMars Instruments that:

►All instruments must achieve a TRL 5 by the ExoMars Instrument for ∆ PDR

► The breadboard used to achieve TRL 5 must demonstrate the "form and function" of

the eventual flight unit (out of the set of "form, fit, and function“).

►“form and function” for PDR still implies flexibility in the breadboards, within the

boundaries conditions of providing:

►Demonstration that critical functionalities and/or interfaces work

►Strong arguments with evidence that support the development of the instrument

chosen flight design

TRL 5 Assessment Plan

RLS: Estado de desarrollo tecnológico

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman16

RLS TRL 5 Assessment Plan

Such requirements are being tailored for RLS instrument, as part of a RLS

TRL5 Assessment Plan; developing activities at three different levels, but

carried out all together in parallel:

►Components, parts, material and processes VALIDATION & QUALIFICATION PLANS

(including radiation tests campaigns)

►Unit S/S level: for achieving its own TRL5

►Instrument BB campaign

RLS: Estado de desarrollo tecnológico

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman17

RLS: Estado de desarrollo tecnológico

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman18

15 gratings (VPHGs) and 9 samples of dichromatedgelatine (DCGs) (DCGs are used as reference in case of any anomaly is observed in VPH)

Grating Validation Test Plan

Validation Test Plan responsiblePaloma Gallego

SPU Unit LeaderMaría Colombo

Optical characterizationConcha González

Gamma and protons irradiation testsSergio Ibarmia

Optical characterization. OperativeTemperatureTest

Gonzalo Ramos

Non Operative TemperatureTest. AIV Engineer

Jose Antonio Rodríguez

Optical characterization. DUTs responsibleMarianela Fernández

VPH Transmission GratingsVPH Transmission GratingsDichromated Gelatin with diffraction pattern

1800l/mmAOD=AOD=32.84ºFused SilicaEpoxy NOA61

Performed Test:

� Non Operative Th. Cycling (INTA): -70ºC to +70ºC

� Gamma (CIEMAT): Total dose: 20Krad (Si)Irradiation steps (4): 5Krad (Si) – 10Krad(Si) –

15Krad(Si) – 20Krad(Si). After each irradiation step, optical characterization at INTA� Proton (RADEF): 5 Irradiation steps: 5E9 -1E10 - 2E10 - 4E10 - 8.8E10 @ 50MeV p+cm-2Intermediate measurements at RADEF.� Gloss Leak (INTA).� UV (INTA/Spasolab).� Operative Th. Cycling (8mbar): 20ºC & 0ºC to -40ºC.

Pending:� Vibration & schock.� DHMR.

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman19

TRL5 STEP1

SPU

KOSI SPECTROMETER / COMMERCIAL

• Optics: f/1.8; focal length: 85 mm

• Notch Filter: at 532 nm

• Double Difraction grating

Spectral Range: -29 to +4387 cm-1

CCD BB1 / Leicester University

• 2048x512 pixels (13.5μm pixel)

• IMO; Back Illuminated

• -10ºC operated

• SW for spectrum obtaining

iOHCOTS iOH BB / KAYSER THREDE

• Optics functional representative

• NA 0.22

• FC fiber connectors

• Notch Filter: at 532 nm

• Focal Length: 8 mm

• No AF capability

RLAPrototype IIb / MONOCROM

• Output power: ~ 50mW

• Ring mode performance

• AF diode

OHCOMMERCIAL / Thorlabs

• FC/APC-FC/APC patchcords; 50 μm core, NA 0.22

INTA COMMERCIAL SPECTROMETER

KOSI HoloSpec f/1.8

KT COTS Components OPTICAL HEAD

(Throlabs)

LASER BB PROTOTYPE IIb(MONOCROM)

OH1.2

OH2.2

SAMPLE

STEP 1: RLS COMMERCIAL CHAIN. RAMAN SPECTRUM OBTAINED WITH REPRESENTATIVE OPTICAL PARAMETERS

INTA

COM. LINEAR STAGE

(TBD)

Laser Protot. IIb Stand Alone Electronics

EGSE

Leicester UniversityCommercial CCD

Leicester Univ CCD Stand alone electronics

EGSE

OPTICAL BENCH

FC Connector receptacle

BNC electrical connector receptacle

for AF purposes

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman20

STEP 1

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman21

TRL5 STEP2

iOHCOTS iOH BB / KAYSER THREDE

• Optics FM representative

• NA 0.22

• AVIM connectors

• Notch Filter: at 532 nm

• Focal Length: 8 mm

• No AF capability

RLAPrototype IIb / MONOCROM

• Output power: ~ 50mW

• Ring mode performance

• AF diode

OHCOMMERCIAL / Thorlabs

• FC/APC-FC/APC patchcords; 50 μm core, NA 0.22

SPU

SPU BB / INTA

• Optics: FM Like

• Grating: FM Like, simple

transmission

CCD BB2 / Leicester University

• 2048x512 pixels, 15 μm pixel (TBC)

• IMO; Back Illuminated (TBC)

• -10ºC operated

• SW for spectrum obtaining

KT COTS Components OPTICAL HEAD

(Throlabs)

OH1.3

OH2.2

SAMPLE

INTA

COM. LINEAR STAGE

(TBD)

OPTICAL BENCH

FC Connector receptacle

BNC electrical connector receptacle

for AF purposes

STEP 2: SPU BB INTEGRATION

LASER BB PROTOTYPE IIb(MONOCROM)

Laser Protot. IIb Stand Alone Electronics

EGSE

SPECTROMETERBB (INTA)

CCD BB (Leicester Univ)

CCD BB Stand alone electronics

EGSE(INTA & Leicester Univ)

MiniAVIM Connector receptacle (*)

SPU BBThermal Control

EGSE (INTA )

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman22

STEP 2

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman23

TRL5 STEP3-4

SPU

KOSI SPECTROMETER / COMMERCIAL

• Optics: FM Like

• Grating: FM Like, simple

transmission

CCD BB2 / Leicester University

• 2048x512 pixels, 15 μm pixel (TBC)

• IMO; Back Illuminated (TBC)

• -10ºC operated

• SW for spectrum obtaining

iOHOld iOH BB / KAYSER THREDE

• Optics old design; NA 0.22

• AVIM connectors

• Ring mode required

• Focal Length: 25 mm

• AF capability

RLAPrototype IIb / MONOCROM

• Output power: ~ 50mW

• Ring mode performance

• AF diode

OHCOMMERCIAL (Diamond) / KAYSER THREDE

• AVIM-FC/APC patchcords; 50 μm core, NA 0.22

BNC electrical connector receptacle

for AF purposes

IH1 (*)

LASER BB PROTOTYPE IIb(MONOCROM)

Laser Protot. IIb Stand Alone Electronics

EGSE

SPECTROMETERBB (INTA)

CCD BB (Leicester Univ)

CCD BB Stand alone electronics

EGSE(INTA & Leicester Univ)

“OLD” INTERNAL OPTICAL

HEAD BB (KT)

OH3.1

SAMPLE

EH1.1

AUTOFOCUS

EGSE(KT)

OPTICAL BENCH

OH1.4

AVIM Connector

AVIM Connector

KT PIEZO

MOTOR

AF MECH.

BB

OH2.3

SPU BBThermal Control

EGSE (INTA )

STEP 3-4: “OLD” iOH/OH BB UNIT INTEGRATION

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman24

STEP 3-4

Prototype IIb Laser

AF System

COTS iOH BB

CCD Power & Control

CCD Control Laptop

AF Control Laptop

Black Box: SPU BB & CCD Chamber

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman25

AF

COTS iOH BB

Variable Gain Amplifier

Actuator Motor Driver

DAQ

Laser AF connector

Rod for manual height adjustment

Mechanical actuator

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman26

TRL5 STEP5-6

SPU

KOSI SPECTROMETER / COMMERCIAL

• Optics: FM Like

• Grating: FM Like, simple

transmission

CCD BB3 / Leicester University

• 2048x512 pixels, 15 μm pixel (TBC)

• IMO; Back Illuminated (TBC)

• -10ºC operated

• Able to check FEE functionality

iOHOld iOH BB / KAYSER THREDE

• Optics FM representative; NA 0.22

• AVIM connectors

• Ring mode required

• Focal Length: 25 mm

• AF capability

OHCOMMERCIAL (Diamond) / KAYSER THREDE

• AVIM-FC/APC patchcords; 50 μm core, NA 0.22

ICEUPower Board BB / CESR

• FM Like

Processor Board BB / LAB

• FM Like

FEE BB / RAL

• FM Like

RLA Prototype III / Monocrom

• FM Like

• Redundant PD concept

• AF diode

• Bragg grating

• Bump soldering

EHFlex BB / Leic.Univ

• FM Like

SPECTROMETERBB (INTA)

“New” CCD BB (Leicester Univ)

STEP 5-6: ICEU BB UNIT INTEGRATION

“OLD” INTERNAL OPTICAL

HEAD BB (KT)

OH3.1

OH3.3

SAMPLE

EH1.1

AUTOFOCUS

EGSE(KT)

OPTICAL BENCH

OH1.4

OH2.3

KT PIEZO

MOTOR

AF MECH.

BB

ICEU BB(CESR)

LASER BB PROTOTYPE III(MONOCROM)

ICEU BB

Power supply(CESR)

POWER MODULE(CESR)

FEE BB(RAL)

FEE BB Stand Alone Electronics

EGSE(RAL)

PROCESSOR MODULE(CESR)

OH4

FLEX BB(TBD)

ICEU BB

Processor ModuleEGSE (CESR)

IH2

EH2

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman27

TRL5 STEP7

SPU

KOSI SPECTROMETER / COMMERCIAL

• Optics: FM Like

• Grating: FM Like, simple

transmission

CCD BB3 / Leicester University

• 2048x512 pixels, 15 μm pixel (TBC)

• IMO; Back Illuminated (TBC)

• -10ºC operated

• Able to check FEE functionality

iOHNew iOH BB / KAYSER THREDE

• FM Like

• Optics FM representative; NA 0.22

• MiniAVIM connectors

• Focal Length: 14 mm

• AF capability

OHOH BB / KAYSER THREDE

• FM Like

• MiniAVIM-MiniAVIM patchcords; 50 μm, NA 0.22

ICEUPower Board BB / CESR

• FM Like

Processor Board BB / LAB

• FM Like

FEE BB / RAL

• FM Like

RLA Prototype III / Monocrom

• FM Like

• Redundant PD concept

• AF diode

• Bragg grating

• Bump soldering

EHFlex BB / Leic.Univ

• FM Like

SPECTROMETERBB (INTA)

CCD BB (Leicester Univ)

STEP 7: “NEW” iOH BB UNIT INTEGRATION

“NEW” INTERNAL OPTICAL

HEAD BB (KT)

OH1.5

OH2.4

SAMPLE

EH1.2

OPTICAL BENCH

KT STEPPER MOTOR

AF MECH.

BB

ICEU BB(CESR)

LASER BB PROTOTYPE III(MONOCROM)

ICEU BB

Power supply(CESR)

POWER MODULE(CESR)

FEE BB(RAL)

FEE BB Stand Alone Electronics

EGSE(RAL)

PROCESSOR MODULE(CESR)

FLEX BB(TBD)

ICEU BB

Processor ModuleEGSE

EH2

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman28

LOGROS DE DESARROLLO TECNOLÓGICO EN ESPAÑA

Desarrollo de del instrumento de forma incremental partiendo de una cadena comercial

•Prototipo comercial del instrumento integrado y pro bado en el INTA; cabezal integrado y probado en INTA

•Procedimientos de verificación establecidos. Se irán incorporando al prototipo comercial los prototipos de las unidades – avance fase C/D

•Prototipo del espectrómetro fabricado, integrado y en proceso de prueba, habiéndose obtenido resultados m uy satisfactorios hasta el momento

•Prototipo de laboratorio del láser con en el nuevo diseño ya ha sido probado; los Prototipos del Láser que se integrarán en el instrumento y se serán sometidos a pruebas de validación están en proceso de fabricaci ón

•Programa de validación de redes de transmisión : se han pasado de forma satisfactoria los ensayos más críti cos, entorno de radiación y entorno térmico; con esto qu eda demostrada su viabilidad para espacio

RLS: Estado de desarrollo tecnológico

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman29

RLS PDRAuthor: / Date: 3-5 February 2009E. Díaz

Instrument Overview

PROCESO DE DISEÑO FASE B

Cada cambio de concepto del instrumento supone una iteración del proceso de Diseño Fase B desde la definición de los requisitos científicos

Cuanto más avanzado estéel proceso de Fase B en el momento de la re-definición mayor es el esfuerzo asociado a realizar una nueva iteración

PROCESO DE DEMOSTRACIÓN

TECNOLÓGICA FASE B

Si el nuevo concepto utiliza las mismas tecnologías , las modificaciones pueden afectar o no a los niveles más avazados ( prototipos de unidades )

Si el nuevo concepto utiliza nuevas tecnologías , hay que empezar un programa de validación de la misma desde el principio

RLS: Problemas

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Misión ExoMars: desarrollo del espectrómetro Raman30

RLS PDRAuthor: / Date: 3-5 February 2009E. Díaz

Instrument Overview

RLS: Problemas

INCORPORAR NUEVOS REQUISITOS DEL ROVER

�Estructura de requisitos de Exomars es inexistente

�Los documentos de requisitos cambian sin previo aviso y los suben en el servidor de ExoMars sin anunciar

�Requisitos repetidos

�Documentos que desaparecen y aparecen nuevos

�Desde que se inició la fase B extendida se han recibido 3 ediciones del IRD ( y documentos aplicables asociados) y hasta D-PDR se enviarán otras 2 (según noticias de la ESA) = 5 ediciones en año y medio, es decir aproximadamente cambia cada 4 meses

�El coste industrial del instrumento asociado a estos cambios es importante

Documentos aplicables ExoMars• IRD Issue 7.0

29 Documentos aplicables e informativos que contienen re quisitos

• Estimación de requisitos3.300 requisitos para trazar