Хайген Уоррен, 21 ноября 2021 г.
Первоисточник:
Инженеры осматривают вторичное зеркало «Джеймса Уэбба» после испытания по развертыванию. Фото: NASA / Крис Ганн
В декабре этого года из Куру, Французская Гвиана, будет запущена ракета Ariane 5 с самым сложным телескопом из когда-либо созданных — совместным космическим телескопом «Джеймса Уэбба» NASA/ESA/CSA. Однако, после запуска телескоп не будет готов к научным наблюдениям сразу. Фактически, телескоп не будет проводить никаких наблюдений в течение примерно шести месяцев после запуска.
После отделения от второй ступени Ariane 5 «Джеймс Уэбб» в следующем месяце полета развернет все свои инструменты, зеркала и структурные системы, которые будут использоваться для научных наблюдений. Как только телескоп достигнет своей орбиты в точке Лагранжа 2 (L2) системы Земля-Солнце, он потратит до шести месяцев на выполнение тестов и калибровку систем для последующих наблюдений.
Весь этот процесс развертывания и тестирования называется «вводом в эксплуатацию», и является жизненно важной частью жизни космического аппарата и в конечном итоге определяет, сможет ли космический аппарат должным образом функционировать, как ожидалось. Для «Джеймса Уэбба» ввод в эксплуатацию — чрезвычайно важный процесс, за которым будет следить вся команда телескопа.
Чтобы получить представление о процессе «ввода в эксплуатацию» «Джеймса Уэбба» и о том, каким будет проходить этот процесс для команды, NASASpaceflight поговорил с Китом Пэрришем, менеджером обсерватории «Джеймса Уэбба» и руководителем этапа «ввода в эксплуатацию».
«Фактически ввод в эксплуатацию начинается, когда ракета отрывается от земли. Итак, как только Ariane 5 взлетает, мы говорим, что «ввод в эксплуатацию» начинается», — сказал Пэрриш.
Художественное изображение отделения обтекателя Ariane 5 во время запуска JWST. (Источник: ESA)
«Ввод в эксплуатацию действительно начинается с самого первого дня работы, когда происходит безопасный выход на орбиту. Это наша цель. Мы полностью сосредоточены на том, чтобы безопасно вывести обсерваторию на орбиту. Мы определяем критерий «безопасный» как способность «Уэбба» «разговаривать» с землей, а его солнечные батареи развернуты и вырабатывают энергию, и мы на пути к L2. Это очень сжатый период времени с момента, когда «Джеймс Уэбб» покинул землю, до выхода на орбиту».
«Итак, теперь мы на орбите. Мы делаем промежуточные орбитальные коррекции. Вот где мы на самом деле будем использовать двигатели «Уэбба», чтобы устранить любую из ошибок, которые дала нам Ariane 5. Мы говорим команде Ariane 5 направить нас в определенном направлении с определенной скоростью, и они доставят нас очень, очень близко к этой цели. Однако мы говорим [40 200 км/ч], поэтому нам, возможно, придется добавить несколько метров в секунду скорости [чтобы получить заданную скорость и направление]. Итак, мы говорим о небольших коррекциях с помощью нашей бортовой подруливающей системы».
«Мы делаем это в первый день, примерно через 12 с половиной часов после запуска. Посмотрим, как прошла первая коррекция, а затем, примерно через два дня, мы сделаем еще одну небольшую коррекцию орбиты. Поправки станут меньше и действительно убеждают нас, так что мы находимся на правильном пути, чтобы добраться до L2».
После этого, возможно, начнется самый важный аспект миссии «Джеймса Уэбба» — развертывание.
«Примерно через три или четыре дня после запуска мы фактически переходим к фазе развертывания».
«Мы начнем этап развертывания с развертывания солнцезащитного экрана. У нас есть очень большие поддоны высотой от 20 до 30 футов, на которых закреплен все наши мембраны [для защиты от солнца]. У нас есть пять маленьких и очень тонких мембран, составляющих наш многослойный солнцезащитный экран, и мы должны развернуть вcю эту конструкцию и установить её на место. Мы начинаем с опускания переднего и заднего поддонов вниз, и это занимает около суток. Затем в течение следующих двух-трех дней мы начинаем открывать все наши фиксирующие устройства [на солнцезащитном козырьке и поддонах]. У нас есть около 170 фиксирующих устройств, которые мы отпускаем, чтобы высвободить все конструкции на этапе развертывания солнцезащитного экрана. Между третьим и шестым днем мы действительно полностью раскрываем солнцезащитный экран».
«Также в этот период мы начинаем наблюдать быстрое охлаждение нашего телескопа и его инструментов, как только мы развертываем солнечный экран».
Солнцезащитный козырек Джеймса Уэбба полностью развернут. (Источник: NASA / Крис Ганн)
Далее следует развертывание зеркала «Джеймса Уэбба» диаметром 6,5 м — одного из самых больших зеркал, когда-либо летавших в космос, и самого сложного из когда-либо построенных зеркал космического телескопа.
«Итак, наш телескоп состоит из главного зеркала, состоящего из восемнадцати отдельных зеркальных сегментов. Для запуска мы складываем шесть сегментов, чтобы «Уэбб» поместился внутри ракеты-носителя. Затем у нас есть вторичное зеркало. Это вторичное зеркало на самом деле то, что принимает весь свет, который собирается главным зеркалом, и направляет свет на наши камеры и наши инструментальные системы. Вторичное зеркало устанавливается на штативе, который состоит из нескольких звеньев и складывается на основное зеркало при запуске. Итак, мы расскладываем вторичное зеркало, а затем расскладываем два крыла главного зеркала».
«Где-то в диапазоне от 10 до 14 дней, мы почувствуем, что у нас будут полностью развернуты основное и вторичное зеркало», — сказал Пэрриш.
NASASpaceflight недавно поговорил с менеджером по элементам оптического телескопа Джеймсом Уэббом о системах и сложности зеркала.
Затем команда разработчиков зеркал «Джеймса Уэбба» приступит к выравниванию каждого из 18 отдельных зеркальных сегментов. Каждое зеркало оснащено собственным приводом, который позволяет команде «поворачивать» зеркала, чтобы они выровнялись.
«Затем наступает период времени, когда нашим специалистам по оптике потребуется около двух недель, чтобы начать [выравнивать] эти 18 зеркал. Также в это время мы включаем много другой электроники на телескопе. Мы все больше и больше запускаем систем космического аппарата по мере того, как мы вводим в эксплуатацию все больше и больше оборудования».
«А затем, примерно через 30 дней после начала миссии, мы подтвердили, что все движется и что все развернуто».
Для «Джеймса Уэбба» и его команд управления на Земле, следующим шагом ввода в эксплуатацию является выведение на орбиту L2.
«Затем мы сделаем еще одну последнюю коррекцию орбиты, которая выведет нас на нашу орбиту в точке Лагранжа 2 или L2», — сказал Пэрриш. «Эти первые 30 дней полны событий и очень интересны. Это непрерывный процесс; одно действие за другим, но затем оно фактически стихает. В следующие два-три месяца мы сосредоточимся на наших инструментах и телескопе».
Но для этого телескоп нужно как следует охладить.
«Чтобы довести все до диапазона температур от 30 до 50 Кельвинов, который необходим [большинству инструментов], потребуется, вероятно, три-четыре месяца. Но все это время наша оптическая группа продолжает юстировать телескоп. Они продолжают заниматься так называемым упражнением по распознаванию волнового фронта. Вот где они будут использовать одну из камер, чтобы получить то, что мы называем волновым фронтом, который на самом деле является оптическим показателем того, насколько выровнено зеркало телескопа. Затем, на основе этих данных, все обрабатывается наземным программным обеспечением, чтобы рассчитать все крошечные движения, которые должны произойти, чтобы эти 18 сегментов были идеально выровнены. На данный момент мы действительно говорим о нанометровой точности. У нас есть небольшие приводы каждого зеркала, которые могут перемещать эти зеркала в очень малых диапазонах».
«В этот период мы также занимаемся так называемым «прекрасным гидом». На самом деле именно здесь мы вводим в работу наш канадский инструмент, датчик точного наведения, FGS. По сути, это действительно очень высокоточный звездный трекер, который позволяет телескопу указывать на астрономические цели. На это уходит от двух до четырех месяцев».
К этому моменту солнечный экран позволил «Джеймсу Уэббу» остыть до ожидаемых температур для наблюдений. Но как «Джеймс Уэбб» охлаждает некоторые из своих инструментов, и как работают группы инструментов, чтобы приспособить свои инструменты к температуре?
«У нас есть механический криокулер, который охлаждает инструменты до нужной нам температуры. Мы приближаемся к абсолютному нулю на одном из наших инструментов. Это прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI), и для этого прибора требуется механический криокулер. Так что мы вводим в действие эту систему охлаждения. Эта система охлаждения создает вибрации при работе, поэтому наша команда специалистов по оптике и команда специалистов по кулерам работают вместе над настройкой этого кулера, чтобы убедиться, что эти колебания не влияют на оптические характеристики телескопа», — сказал Пэрриш.
После этого «Джеймс Уэбб» передается командам по инструментам.
«У нас есть четыре инструмента, и [эти команды] затем проведут серию упражнений по калибровке этих инструментов. Эти упражнения варьируются от измерения термостабильности до изучения темных областей и простой калибровки всех артефактов в инструментах, которые могут помешать научным наблюдениям».
Эта деликатная работа займет около двух месяцев, в результате чего общая фаза ввода в эксплуатацию составит около шести месяцев.
Четыре инструмента на борту космического телескопа «Джеймса Уэбба». (Источник: NASA)
При таком сложном процессе ввода в эксплуатацию и развертывания требуется резервирование многих приборов и систем космического аппарата. Итак, какая избыточность встроена в последовательность развертывания и ввода в эксплуатацию? Что делать, если не удается развернуть конкретную систему? Сколько времени нужно команде, чтобы исправить проблему в сроки развертывания/ввода в эксплуатацию, прежде чем возникнут серьезные проблемы?
«Избыточность важна, и, очевидно, мы уделили много внимания тому, что мы реализовали в наших системах. Хотя единственное, в чем мы действительно хотели убедиться, — это то, что когда дело доходит до наших развертываний, у нас есть много времени. Мы можем действовать настолько медленно, насколько хотим, чтобы вся обсерватория была в безопасности», — сказал Пэрриш.
«Например, мы вытаскиваем одно крыло телескопа, а другое немного задержалось. Мы не торопимся об этом беспокоиться. Мы можем остановиться и потратить достаточно времени, чтобы оценить ситуацию, а затем вернуться к нему. Таким образом, одним из ключей является то, что мы можем работать настолько медленно, насколько это необходимо, и это не должно быть большой проблемой. Это может быть просто «нам это кажется немного странным», и мы можем все замедлить и не торопиться».
Однако всегда есть критичные моменты.
«У нас есть одно развертывание, которое мы бы назвали критичным по времени, и это наша солнечная батарея, хотя и полностью автономная. Это типично для любого запущенного космического корабля; вы хотите, чтобы эта солнечная батарея развернулась, развернулась и вырабатывала энергию».
«Но помните те 170 фиксирующих устройств экрана? В своем естественном состоянии они механически способны к открытию. Поэтому мы проделали большую работу, чтобы не допустить преждевременного раскрытия экрана. Эти фиксирующие устройства также имеют электрическое резервирование. У нас есть две разные системы, которые могут включить эти устройства».
И это электрическое резервирование верно и для всего телескопа.
«Электрически мы полностью дублируем все системы. У нас есть два компьютера, которые контролируют все наши развертывания. У нас есть один первичный, а затем у нас есть полный вторичный резервный компьютер, который может обрабатывать все наши развертывания, поэтому вся наша проводка также полностью избыточна».
Это электрическое резервирование выполняет роль, которая была невозможна для большей части «Джеймса Уэбба» — вы не можете создавать резервные копии для каждой системы на борту.
«Возьмем, к примеру, солнцезащитный козырек. У вас не может быть двух солнцезащитных козырьков. Таким образом, у вас не может быть одного солнцезащитного козырька, который не работает, и иметь его полную резервную копию. Очевидно, что это вообще невозможно. Поэтому мы ввели в систему механическое резервирование».
«В итоге мы пришли к выводу, что усилия, которые мы приложили, чтобы сделать что-то более надежное, на самом деле сделали его менее надежным, потому что мы представили больше деталей, поэтому нам действительно пришлось сбалансировать конструкцию. Итак, теперь, когда дело доходит до чего-то вроде приводов зеркал, у нас есть так называемая двойная обмотка. В приводах есть два набора обмоток, к которым могут обращаться эти два компьютера. Также есть два комплекта проводки. Таким образом, мы всегда можем обеспечить резервирование наших двигателей электрически на всем протяжении всей системы», — сказал Пэрриш.
«Джеймс Уэбб» в настоящее время планирует запустить на Ariane 5 из Куру, Французская Гвиана, 18 декабря 2021 года.
Первоисточник: