James Webb Space Telescope | Ariane 5 ECA | Everyday Astronaut⁠⁠

15 декабря 2021 г., 11 минут на чтение

Первоисточник:

NASA / Дезире Стовер

Время старта (может быть изменено)
25 декабря 2021 - 12:20 UTC | 9:20 GFT
Название миссии
James Webb Space Telescope (JWST)
Поставщик запуска (какая ракетная компания запускает?)
Arianespace
Клиент (Кто за это платит?)
Под руководством НАСА в сотрудничестве с European Space Agency, Canadian Space Agency и Space Telescope Science Institute.
Ракета-носитель
Ariane 5 ECA
Место запуска
ELA-3, Космический центр Гвианы, Французская Гвиана, Франция
Масса полезной нагрузки
~ 6500 кг (14300 фунтов)
Куда летит космический аппарат?
Точка Лагранжа L2 системы Земля-Солнце
Будут ли они пытаться восстановить первую ступень?
Нет, с Ariane 5 это невозможно.
Где приземлится первая ступень?
Она рухнет в Атлантический океан
Будут ли они пытаться вернуть обтекатели?
Нет, с Ariane 5 это невозможно.
Эти обтекатели новые?
Да
Как сейчас погода?
Требуется уточнение
Это будет:
— 138-я попытка орбитального запуска в 2021 году
— 289-я миссия Arianespace
— 112- я миссия Ariane 5
Где смотреть
Официальная прямая трансляция НАСА

Что все это значит?

Космический телескоп «Джеймса Уэбба» будет запущен на ракете Ariane 5 из стартового комплекса Arianespace ELA-3 на Европейском космодроме во Французской Гвиане. После развертывания космический аппарат направится к точке Лагранжа L2 системы Земля-Солнце.

Космическая обсерватория является продуктом сотрудничества между NASA, ЕSА и CSA и придет на смену космическому телескопу «Хаббл» в качестве флагманской астрофизической миссии NASA. Ожидается, что он будет работать не менее 5 с половиной лет, но мы надеемся, что время работы продлится до 10 лет.

Что такое космический телескоп «Джеймса Уэбба»?

Космический телескоп «Джеймса Уэбба» (James Webb Space Telescope или JWST), является крупнейшей из когда-либо построенных космических обсерваторий. Он будет в 100 раз мощнее своего предшественника, Hubble, и будет опираться на 30-летние новаторские исследования. JWST оптимизирован для диапазона инфракрасных волн и предоставит беспрецедентные изображения и исследования, которые помогут расширить наше понимание Вселенной.

Обсерватория ставит четыре основные цели:

Изучить первый свет во Вселенной и объекты, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва.
Изучить, как образуются и развиваются галактики.
Наблюдать за образованием звезд и планетных систем.
Чтобы посмотреть на физические и химические свойства планетных систем и исследовать потенциал жизни в этих системах.

Телескоп и разработка миссии

Ранняя проработка нового телескопа началась в 1989 году, но официальная разработка JWST началась в 1996 году. Первоначально он назывался Next Generation Space Telescope (NGST) и не переименовывался в James Webb Space Telescope до 2002 года. Планировался телескоп с апертурой 8 м, расположенный в точке L2 со стоимостью около 500 миллионов долларов. На тот момент телескоп изначально планировалось запустить в 2007 году, но с тех пор проект был подвержен 16 переносам с запуском, перерасходу средств и серьезным изменениям конструкции.

В 2004 году началось строительство JWST, а в 2005 году ракетой-носителем и стартовой площадкой были выбраны ракеты-носители Ariane 5 и Гвианский космический центр. В течение следующего десятилетия отдельные части космического телескопа были построены и испытаны перед общей сборкой. К ноябрю 2016 года окончательная конструкция телескопа была завершена, и можно было начинать комплексные испытания.

Запуск был отложен в марте 2018 года после того, как космический аппарат порвал огромный солнцезащитный экран во время тестового развертывания. В обзоре после инцидента было обнаружено, что JWST имел 344 потенциальных отказа в одной точке, любой из которых остановил бы работу всего проекта.

После завершения строительства последние испытания телескопа были проведены на заводе Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния. Затем телескоп был отправлен в Куру, Французская Гвиана, на борту грузового корабля MN Colibri, прибывшим 12 октября на место, где его затем начали интегрировать с ракетой. 22 ноября NASA объявило, что произошел инцидент, когда хомут, который крепил полезную нагрузку к адаптеру, был случайно освобожден, что вызвало вибрацию телескопа. К счастью, в результате инцидента ничего не пострадало, и подготовку можно было продолжить. JWST в данный момент установлен на Ariane 5, и его запуск запланирован на 25 декабря.

Кем был Джеймс Уэбб?

Джеймс Уэбб был вторым администратором NASA, наиболее известным как руководитель программы «Аполлон». Бывший администратор NASA Шон О'Киф сказал о Уэббе: «Благодаря его усилиям мы получили первые проблески драматического ландшафта космического пространства ... Он провел нашу страну в ее первые исследовательские экспедиции, превратив наше воображение в реальность».

Название телескопа было предметом большой критики из-за обвинений Уэбба в дискриминации ЛГБТК. За несколько месяцев до запуска многие призывали NASA переименовать телескоп, однако в сентябре 2021 года было объявлено, что телескоп не будет переименован, а также осудили обвинения в дискриминации.

Как работает телескоп?

JWST состоит из четырех основных элементов: Платформа космического аппарата; Cолнцезащитный экран; Интегрированный модуль научных приборов (ISIM); и элементы оптического телескопа (OTE).

Схема телескопа (Источник: NASA)

Спутниковая платформа космического телескопа

Платформа JWST Spacecraft Bus — это базовый вспомогательный компонент обсерватории, содержащий многие из основных систем, которые позволяют телескопу функционировать, например, вычислительные, коммуникационные и двигательные системы. Платформа весит 350 кг (770 фунтов) и изготовлена преимущественно из графитового композитного материала. Из-за гало-орбиты космического телескопа одна сторона обсерватории будет постоянно освещена солнечным светом. Платформа расположена на обращенной к Солнцу стороне космического аппарата и работает при температуре около 300 кельвинов (80°F, 27°C).

Платформа также имеет шесть гироскопов, два звездных трекера и силовую установку. Есть десять пар подруливающих устройств, каждая пара имеет одно основное и одно резервное подруливающие устройства. В двигателях используется гидразин в качестве топлива и четырехокись азота в качестве окислителя.

Солнечный щит

Чтобы проводить наблюдения в инфракрасном спектре, телескоп необходимо держать в охлажденном состоянии, ниже 50°К (-223,2°C; -369,7°F). Если температура будет выше, собственное инфракрасное излучение телескопа нарушит правильную работу инструментов. Чтобы бороться с этим, обсерватория имеет огромный пятислойный солнцезащитный экран размером 22 на 12 м, примерно такого же размера, как теннисный корт, и в два раза больше, чем «Хаббл». Каждый из пяти слоев представляет собой тонкую прядь волос и изготовлен из Kapton E. Обе стороны каждого слоя покрыты алюминием, а обращенная к солнцу сторона двух внешних слоев дополнительно покрыта легированным кремнием, который будет отражать тепло от Солнца и возвращать его в космос. Этот солнцезащитный экран является ключом к блокированию всего света и тепла от Солнца, Земли и Луны,

Полноразмерный образец солнцезащитного козырька (Источник: NASA / Крис Ганн)

Элементы оптического телескопа

Главное зеркало телескопа, оптические элементы телескопа, состоят из 18 шестиугольных сегментов зеркала, изготовленных из позолоченного бериллия. Золотое покрытие имеет толщину всего 1000 атомов и оптимизирует отражательную способность в инфракрасном диапазоне. Сегменты объединены в зеркало диаметром 6,5 метра, которое собирает свет от далеких объектов. Затем вторичное зеркало будет отражать этот свет на приемные сенсоры на борту обсерватории.

Главное зеркало JWST (NASA / Крис Ганн)

Интегрированный модуль научных инструментов (ISIM)

ISIM находится в центре JWST. Он содержит основную научную полезную нагрузку, которая имеет четыре научных инструмента и центр точного наведения. Масса ISIM составляет 1 400 кг (3086 фунтов), что составляет около 23% от общей массы JWST. Обсерватория имеет на борту 4 основных прибора:

NIRCAM

NIRCam, или камера ближнего инфракрасного диапазона, представляет собой инфракрасный формирователь изображения. Его спектральный охват будет варьироваться от края видимого до ближнего инфракрасного диапазона, или от 0,6 микрометра до 5 микрометров. В тепловизоре будет 10 сенсоров по 4 мегапикселя каждый. Этот инструмент также будет датчиком волнового фронта обсерватории.

NIRSPEC

NIRSpec, или спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне, будет выполнять спектроскопию в том же диапазоне длин волн, что и NIRCam. В конструкции NIRSpec предусмотрено три режима наблюдения. Первый режим - это режим с низким разрешением, в котором используется призма. Во втором, многообъектном режиме R ~ 1000, используется механизм микро-затвора, который позволяет одновременно наблюдать сотни отдельных объектов в любом месте поля зрения прибора. Последний режим представляет собой интегральную единицу поля R ~ 2700 или режим спектроскопии с длинной щелью. В приборе два сенсора по 4 мегапикселя каждый.

MIRI

MIRI, или прибор Mid-InfraRed, будет измерять диапазон длин волн от среднего до длинного инфракрасного излучения, составляющий от 5 до 27 микрометров. В приборе есть камера среднего инфракрасного диапазона, а также спектрометр изображения

FGS / NIRISS

FGS / NIRISS, или датчик точного наведения, формирователь изображения ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф, стабилизируют линию обзора обсерватории во время научных наблюдений. Хотя FGS и NIRISS монтируются вместе, на самом деле они выполняют две очень разные функции. FGS проведет измерения, которые используются для контроля ориентации космического корабля и зеркала точного управления. С другой стороны, NIRISS — это модуль для построения астрономических изображений и спектроскопии, который работает в диапазоне длин волн от 0,8 до 5 микрометров.

Схема ISIM (Источник: NASA)

График развертывания

После запуска Webb начнет шестимесячный период ввода в эксплуатацию, который будет включать в себя развертывание солнцезащитного козырька и зеркала, охлаждение телескопа до криогенных рабочих температур, юстировку зеркал и калибровку научных инструментов. После этого мы начнем получать первые изображения телескопов! Вы можете узнать больше о последовательности развертывания здесь.

Последовательность запуска и развертывания JWST (Источник: NASA)

Орбита

JWST будет работать во второй точке Лагранжа (L2) системы Земля-Солнце, вокруг которой будет вращаться по гало-орбите. Точки Лагранжа — это точки в пространстве, где сила тяжести двух больших вращающихся тел, например. Солнце и Земля уравновешивают центростремительную силу, необходимую для того, чтобы космический корабль, такой как JWST, мог двигаться вместе с ними. Это означает, что для удержания космического корабля на желаемой орбите требуется очень мало топлива.

В системе Земля-Солнце пять точек Лагранжа. L2 находится примерно в 1 500 000 км (930 000 миль) от Земли и находится позади Земли от положения Солнца. L2 был местом для предыдущих астрономических миссий, включая WMAP, Planck и Herschel. Гало-орбита обсерватории вокруг L2 имеет радиус ~ 800 000 км (500 000 миль), на создание которого у космического корабля уйдет полгода.

Точка Лагранжа L2 ( Источник: NASA / Научная группа WMAP)

Почему космический телескоп «Джеймса Уэбба» инфракрасный?

«Хаббл» наблюдал ближний ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный спектры, но JWST будет наблюдать в более низком частотном диапазоне, от длинноволнового видимого света до среднего инфракрасного. Это означает, что он сможет наблюдать объекты в широком инфракрасном диапазоне, которые были слишком старыми и находились слишком далеко, чтобы «Хаббл» мог их увидеть. JWST сможет исследовать объекты на расстоянии 13,6 миллиарда световых лет, а из-за того, что свет проходит через Вселенную, это означает, что телескоп сможет смотреть на объекты до 13,6 миллиарда лет назад. Чем дальше находится космический объект, тем моложе он кажется, потому что свету потребовалось больше времени, чтобы достичь Земли. Ожидается, что он сможет увидеть первые галактики, образовавшиеся всего через сто миллионов лет после Большого взрыва. Это самое далекое прошлое, которое мы когда-либо наблюдали!

Наблюдения в инфракрасном спектре также являются ключом к тому, чтобы видеть дальше, чем в предыдущие телескопы, из-за космологического красного смещения. Красное смещение — это когда свет смещается в более красные длины волн, например, в ближнюю и среднюю инфракрасную части светового спектра, когда он распространяется долгое время. Поскольку

Вселенная расширяется, при движении свет приобретает красное смещение. Чем дальше от нас находится объект, тем быстрее распространяется свет и тем больше красное смещение. Это означает, что если мы хотим видеть объекты дальше и старше, чем мы видели в оптические телескопы раньше, нам нужно рассматривать их с помощью высокочувствительных инфракрасных телескопов, таких как JWST, который был разработан, чтобы видеть ультрафиолетовый свет с красным смещением в инфракрасный. .

Наземная астрономия ограничена в том, что касается инфракрасного излучения, потому что водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере Земли, поглощают большую часть инфракрасного излучения. Наша атмосфера также излучает в инфракрасном спектре, который еще больше затемняет объекты, которые мы хотим наблюдать.

Другие телескопы космического базирования, такие как Хаббл, не могут видеть эти инфракрасные диапазоны, потому что их зеркала недостаточно холодны (Хаббл поддерживается при температуре 15°C), поэтому сам телескоп излучает в инфракрасных диапазонах. Большой солнцезащитный экран JWST изготовлен из силикона и алюминия Kaption, который помогает поддерживать температуру зеркала и его инструментов при температуре ниже -223,2°C. Таким образом, JWST будет выполнять работу, которую могут выполнять немногие другие наземные и космические телескопы, и делать это на совершенно новом уровне.

Инфракрасные наблюдения также позволяют легче видеть сквозь области космической пыли, которая рассеивает видимый свет. Это означает, что телескоп сможет изучать объекты, обычно скрытые газом и пылью в видимом спектре света, такие как активные ядра галактик и молекулярные облака, в которых рождаются звезды.

На изображении ниже вы можете увидеть туманность Киля в видимом и инфракрасном свете. На изображении в видимом свете вы можете увидеть, что у туманности есть большой столб из газа и пыли, который освещен массивными близлежащими звездами. Излучение и поток заряженных частиц от этих звезд означает, что внутри столба рождаются новые звезды, однако их нельзя увидеть, потому что газ блокирует их свет. Однако мы можем видеть все эти новообразованные звезды на инфракрасном изображении, поскольку столб из газа и пыли не виден.

Туманность Карина (Источник: NASA, ЕSА и команда космического телескопа Hubble SM4 ERO)

Ariane 5 ECA

Ariane 5 ECA — это европейская ракета-носитель большой грузоподъемности, разработанная Arianespace для Европейского космического агентства. Считающаяся одной из самых надежных ракет-носителей в мире, с 1996 года Ariane 5 запускалась 109 раз с вероятностью успеха 95,4%. Ракета выполнила 82 последовательных старта без сбоев, прежде чем потерпела частичный отказ в январе 2018 года. Ariane 5 запускается с европейского космодрома во Французской Гвиане, космодрома недалеко от экватора, что позволяет ракете воспользоваться преимуществами экваториальной скорости вращения Земли и повысить грузоподъемность запуска.

Версия ECA Ariane 5 способна запускать два больших спутника, один над другим, с помощью адаптера, известного как Système de Lancement Double Ariane (SYLDA). Адаптер покрывает нижний сателлит, так как поддерживает более высокий сателлит. Когда приходит время для развертывания спутников, сначала высвобождается верхний спутник, затем сбрасывается адаптер SYLDA, а последним высвобождается нижний спутник.

JWST не может поместиться ни в одну из существующих ракет-носителей в полностью развернутом виде, поэтому он был сложен, чтобы поместиться внутри обтекателей Ariane 5. Он будет разворачиваться, сегмент за сегментом, в течение двухнедельного периода по мере продвижения к конечному пункту назначения.

Запуск Ariane 5 (Источник: ESA / CNES / Arianespace)

Ускорители

По бокам основной ступени ракеты прикреплены два твердотопливных ускорителя (РРД) Р241. Они заправлены смесью перхлората аммония (AP) (68%), алюминиевого топлива (18%) и полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (HTPB) (14%). Каждый ускоритель обеспечивает около 7080 кН (1590000 фунтов ф ) тяги, работу в течение 130 секунд , прежде чем упасть в океан. Их обычно оставляют погружаться на дно океана, но, как и в случае с космическими шаттлами SRB, их можно восстановить с помощью парашютов. Когда это будет сделано, это будет полезно для анализа после полета, но ускорители не могут использоваться повторно.

Основная ступень

Ariane 5 имеет криогенную основную ступень H173, называемую EPC ( Étage Principal Cryotechnique - Cryotechnic Main Stage), которая работает в течение 540 секунд. Она состоит из основного резервуара высотой 30,5 м и имеет два отсека: один для жидкого водорода (LH2), а другой — для жидкого кислорода (LOx). Двигатель Vulcain 2 находится по центру основания ступени и обеспечивает вакуумный тягу 1390 кН (310000 фунтов).

Основная криогенная ступень (Источник: Arianespace)

Вторая ступень

ECA имеет верхнюю ступень, называемую ESC-A (Étage Supérieur Cryotechnique - Cryogenic Upper Stage), которая использует двигатель HM7B, работающий на жидком водороде (LH2) и жидком кислороде (LOx). Ступень создает 67 кН (15000 фунтов ф ) тяги в вакууме, имеет ISP=446 секунд, и будет работать в течение 945 секунд.

Криогенная разгонная ступень (Источник: Arianespace)

Первоисточник: