stringtranslate.com

Солнцезащитный экран космического телескопа Джеймса Уэбба

Иллюстрация развернутой «горячей» стороны космического телескопа Джеймса Уэбба с солнцезащитным козырьком, защищающим основную оптику от солнечного света.

Солнцезащитный экран космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) — это пассивная система терморегулирования, которая разворачивается после запуска, чтобы защитить телескоп и приборы от света и тепла Солнца , Земли и Луны . Удерживая телескоп и приборы в постоянной тени, он позволяет им остыть до проектной температуры 40 кельвинов (−233 °C; −388 °F). Его сложное развертывание было успешно завершено 4 января 2022 года, через десять дней после запуска, когда он находился на расстоянии более 0,8 миллиона километров (500 000 миль) от Земли. [1] [2]

Солнцезащитный экран JWST имеет размеры около 21 м × 14 м (69 футов × 46 футов), что примерно соответствует размеру теннисного корта, и слишком велик, чтобы поместиться в любую существующую ракету. Поэтому он был сложен, чтобы поместиться в обтекателе ракеты-носителя, и был развернут после запуска, развернув пять слоев пластика с металлическим покрытием. Первый слой является самым большим, и каждый последующий слой уменьшается в размере. Каждый слой изготовлен из тонкой (50 микрон для первого слоя, 25 микрон для остальных) мембраны Kapton, покрытой алюминием для отражательной способности. Самые внешние слои, обращенные к Солнцу, имеют легированное кремниевое покрытие, которое придает ему фиолетовый цвет, упрочняет экран и помогает ему отражать тепло. [3] Толщина алюминиевого покрытия составляет приблизительно 100 нанометров, а кремниевое покрытие еще тоньше — приблизительно 50 нанометров. [4] Сегмент солнцезащитного экрана включает слои и механизмы его развертывания, которые также включают в себя лоскут отделки. [5] [6]

Обзор

На этом изображении художника (не в масштабе) стилизованное изображение ориентации телескопа показывает, как солнцезащитный козырек блокирует нагрев главного зеркала солнечными лучами.

Для проведения наблюдений в ближнем и среднем инфракрасном спектре JWST должен поддерживаться в очень холодной среде (ниже 40 К (−233 °C; −388 °F)), в противном случае инфракрасное излучение самого телескопа будет подавлять его инструменты. Поэтому он использует большой солнцезащитный экран для блокировки света и тепла от Солнца, Земли и Луны, а его положение вблизи точки Лагранжа L 2 Солнце-Земля удерживает все три тела на одной стороне космического корабля в любое время. [7] Его гало-орбита вокруг L 2 избегает тени Земли и Луны, поддерживая постоянную среду для солнцезащитного экрана и солнечных батарей. [8]

Инфракрасное излучение — это тепловое излучение. Чтобы увидеть слабое свечение инфракрасного тепла от далеких звезд и галактик, телескоп должен быть очень холодным. Если бы солнечный свет или теплое свечение Земли нагревали телескоп, инфракрасный свет, излучаемый телескопом, затмил бы его цели, и он не смог бы ничего увидеть.

—  Заместитель старшего научного сотрудника проекта NASA по телескопу Уэбба в Годдарде, 2008 г. [9]
Разница температур между горячей и холодной сторонами пятислойного солнцезащитного экрана космического телескопа Джеймса Уэбба

Солнцезащитный козырек действует как большой зонтик, позволяющий главному зеркалу, оптике и инструментам пассивно охлаждаться до 40 кельвинов (−233 °C; −388 °F) или ниже, [6] и является одной из технологий, которые позволят JWST работать. [10] Солнцезащитный козырек в форме воздушного змея имеет размер около 21 на 14 метров (69 на 46 футов), [11] достаточно большой, чтобы затенять главное зеркало и вторичное зеркало, оставляя только один инструмент, MIRI (Mid-Infrared Instrument) , нуждающимся в дополнительном охлаждении. [6] Солнцезащитный козырек действует как радиатор с V-образной канавкой и вызывает падение температуры на 318 К (318 °C, 604 °F) [12] спереди назад. [11] Во время работы экран будет получать около 200 киловатт солнечного излучения, но пропускать только 23 милливатт на другую сторону. [13] [11]

Солнцезащитный экран имеет пять слоев для снижения теплопроводности. [6] Эти слои изготовлены из полиимидной пленки Kapton E , которая стабильна от -269 до 400 °C (от -450 до 750 °F). [3] [6] Однако тонкие пленки хрупкие — случайные разрывы во время испытаний в 2018 году были одними из факторов, задержавших проект JWST, [14] а Kapton, как известно, разрушается после длительного воздействия земных условий. [15] Толщина слоя, обращенного к солнцу, составляет 0,05 мм (0,002 дюйма), а толщина других слоев — 0,025 мм (0,001 дюйма). [3] Все слои покрыты с обеих сторон 100 нм алюминия , а обращенные к солнцу стороны двух внешних слоев также покрыты 50 нм кремния, « легированного » другими элементами. [6] [3] Это помогает материалу выживать в космосе, излучать избыточное тепло и проводить электричество, поэтому на слоях не накапливается статический заряд . [6]

Тестовый образец солнцезащитного козырька, сложенный и развернутый на заводе Northrop Grumman в Калифорнии, 2014 г.

Каждый слой имеет немного разную форму и размер. [6] Слой 5 находится ближе всего к главному зеркалу и является самым маленьким. Слой 1 находится ближе всего к Солнцу, он больше и более плоский. [6] Первый слой блокирует 90% тепла, а каждый последующий слой блокирует больше тепла, которое отражается по бокам. [6] [16] Солнцезащитный экран позволяет оптике оставаться в тени при углах наклона от +5° до −45° и углах крена от +5° до −5°. [10] Слои разработаны с использованием технологии Thermal Spot Bond (TSB) с сетчатым рисунком, прикрепленным к каждому слою через определенные интервалы. [6] Это помогает предотвратить увеличение размера разрыва или отверстия, если таковое возникнет. [6]

Проектирование и производство

Купоны на тестовую ткань Sunshield, которые тестируются для проверки ее эффективности, 2012 г.

Northrop Grumman разработала солнцезащитный козырек для NASA. [17] Солнцезащитный козырек разработан так, чтобы его можно было сложить двенадцать раз, чтобы он мог поместиться в кожух ракеты Ariane 5 диаметром 4,57 м (15,0 футов) и 16,19 м (53,1 фута). Когда он был развернут в точке L2, он развернулся до размеров 21,197 м × 14,162 м (69,54 фута × 46,46 фута). Солнцезащитный козырек был собран вручную на заводе ManTech (NeXolve) в Хантсвилле, штат Алабама, прежде чем он был доставлен в Northrop Grumman в Редондо-Бич, штат Калифорния, для тестирования. [18] Во время запуска он был обернут вокруг элемента оптического телескопа , а затем позже развёрнут. [11] Солнцезащитный козырек планировалось развернуть примерно через неделю после запуска. [19] В процессе разработки материал солнцезащитного слоя был испытан на воздействие тепла, холода, радиации и высокоскоростных микроударов. [9]

Компоненты солнцезащитного козырька включают в себя: [20]

Узлы пускового замка сошек находятся там, где сегмент солнцезащитного козырька соединяется с OTE, когда он складывается во время запуска. [20] Имеется шесть распорных планок, которые расширяются, чтобы разделить слои солнцезащитного козырька, имеющего примерно шесть сторон. [20]

Триммерный закрылок/триммер импульса

Диаграмма пределов крена и их влияние на наведение

Сегмент солнцезащитного козырька также включает в себя триммерный клапан на конце стрелы развертывания солнцезащитного козырька. [5] Это также называется триммером импульса. [20] Триммер помогает сбалансировать солнечное давление , вызванное фотонами, ударяющими о солнцезащитный козырек. Если это давление неравномерно, космический корабль будет иметь тенденцию вращаться, требуя от своих реактивных колес (расположенных в шине космического корабля ) корректировать и поддерживать ориентацию JWST в пространстве. Реактивные колеса, в свою очередь, в конечном итоге станут насыщенными и потребуют топлива для десатурации, что потенциально ограничивает срок службы космического корабля. Триммер, помогая поддерживать давление сбалансированным и, следовательно, ограничивая расход топлива, продлевает срок службы телескопа. [5] [20] [21] [22]

Слои

Пять слоев солнцезащитного козырька JWST, проходящие испытания в 2013 году

Слои спроектированы таким образом, что Солнце, Земля и Луна светят почти исключительно на первый слой, иногда на крошечную часть второго слоя, а с другой стороны элементы телескопа видят только пятый слой и иногда крошечную часть четвертого слоя. [20] Разделение между слоями в вакууме космоса предотвращает передачу тепла за счет проводимости и способствует отводу тепла в сторону. [23] Легирование материала кремнием придает ему фиолетовый оттенок. [23]

Развертывание

Анимационная последовательность развертывания солнцезащитного экрана. Чтобы увидеть, как развертывание солнцезащитного экрана вписывается в общую последовательность развертываний на космическом корабле, посмотрите эту анимацию .

Компонент солнцезащитного экрана крепится к основному космическому аппарату, а его штанги расширяются наружу, расширяя тепловой экран и разделяя слои. [24] Во время запуска экран складывается; позже, когда он находится в космосе, его осторожно разворачивают. [24] Когда солнцезащитный экран полностью раскрыт, его ширина составляет 14,6 метра (48 футов), а длина — 21,1 метра (69 футов). [20] Когда слои полностью раскрыты, они открываются шире по краям, что помогает отражать тепло. [20]

Структура/устройства развертывания солнцезащитного козырька включают: [23]

Внутри телескопических стрел имеются два выдвижных устройства. [23] Это специальные электродвигатели, которые при работе выдвигают телескопическую стрелу, вытягивая сложенный солнцезащитный козырек. [23] Телескопические стрелы называются MBA, или узлами средней стрелы. [20] На конце каждой MBA находится распорная балка.

После успешного запуска 25 декабря 2021 года из Гвианского космического центра послепусковое развертывание солнцезащитного экрана JWST проходило следующим образом.

31 декабря 2021 года наземная группа в Научном институте космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд, начала развертывание двух телескопических «средних стрел» с левой и правой сторон обсерватории, вытащив пять солнцезащитных мембран из их сложенных укладок в носовой и кормовой поддонах, которые были опущены тремя днями ранее. [25] Развертывание левой боковой стрелы (по отношению к направлению наведения главного зеркала) было отложено, когда центр управления полетом изначально не получил подтверждения того, что крышка солнцезащитного козырька полностью свернута. После изучения дополнительных данных для подтверждения группа приступила к выдвижению стрел. [26] Левая сторона развернулась за 3 часа и 19 минут; правая сторона развернулась за 3 часа и 42 минуты. [26] [25] С этим шагом солнцезащитный козырек Уэбба напоминал свою полную форму в форме воздушного змея и растянулся на полную ширину 47 футов. Должны были последовать команды на разделение и натяжение мембран. [25]

После празднования Нового года наземная группа отложила натяжение солнцезащитного экрана на один день, чтобы дать время оптимизировать выходную мощность массива солнечных панелей обсерватории и отрегулировать ориентацию обсерватории для охлаждения немного более горячих, чем ожидалось, двигателей развертывания солнцезащитного экрана. [27] Натяжение первого слоя, ближайшего к Солнцу и самого большого из пяти в солнцезащитном экране, началось 3 января 2022 года и было завершено в 15:48  по восточноевропейскому времени. [28] Натяжение второго и третьего слоев началось в 16:09  по восточноевропейскому времени и заняло 2 часа 25 минут. [29] 4 января 2022 года диспетчеры успешно натянули последние два слоя, четвертый и пятый, завершив задачу развертывания солнцезащитного экрана JWST в 11:59  по восточноевропейскому времени. [30]

Хронология

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Солнцезащитный экран успешно развернут на следующем флагманском телескопе NASA". NASA . 4 января 2022 г. Получено 4 января 2022 г.
  2. ^ Данн, Марсия (5 января 2022 г.). «NASA справляется с самой сложной задачей на недавно запущенном космическом телескопе». Toronto Star . Получено 5 января 2022 г.
  3. ^ abcd "Sunshield Membrane Coatings". Космический телескоп Джеймса Уэбба . NASA . Получено 27 декабря 2021 г.
  4. ^ "The Sunshield Webb/NASA". webb.nasa.gov . Получено 30 декабря 2021 г. .
  5. ^ abc "The Webb Update #5". Космический телескоп Джеймса Уэбба . NASA. Сентябрь 2008 г. Архивировано из оригинала 13 октября 2008 г.
  6. ^ abcdefghijkl "О Солнцезащитном Экране". jwst.nasa.gov . Получено 27 декабря 2021 г. .
  7. ^ "Солнечная орбита". jwst.nasa.gov . Получено 28 августа 2016 г. .
  8. ^ "L2 Orbit". Space Telescope Science Institute. Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 года . Получено 28 августа 2016 года .
  9. ^ ab Gutro, Rob (12 ноября 2008 г.). «Super-Tough Sunshield to Fly on the James Webb Space Telescope». NASA. Архивировано из оригинала 17 ноября 2021 г. Получено 27 декабря 2021 г.
  10. ^ abc Lo, Amy. Космический телескоп Джеймса Уэбба (PDF) (Отчет). 2015 Американские рубежи инженерии: инженерия поиска экзопланет земного типа . Получено 27 декабря 2021 г.
  11. ^ abcd "Sunshield". Space Telescope Science Institute . Архивировано из оригинала 26 декабря 2021 г. Получено 11 ноября 2022 г.
  12. ^ ab "JWST sunshield". Хантсвилл, Алабама: Nexolve. Архивировано из оригинала 21 декабря 2016 г. Получено 6 декабря 2016 г.
  13. ↑ Поттер, Шон (4 января 2022 г.). «Солнцезащитный экран успешно развернут на следующем флагманском телескопе НАСА». НАСА . Получено 11 февраля 2022 г. .
  14. ^ Клери, Дэниел (27 марта 2018 г.). "NASA объявляет о новых задержках запуска гигантского космического телескопа" . Наука . Получено 5 июня 2018 г. .
  15. ^ Уилли, Скотт (10 декабря 2015 г.). «Восстановление крепления телескопа «Аполлон»». Национальный музей авиации и космонавтики . Получено 12 июля 2018 г. Когда мы распаковали лонжерон в сентябре 2014 г., мы обнаружили, что после 40 лет Kapton® — блестящий, шероховатый материал, который часто можно увидеть на спутниках, а в этом случае черный материал, который вы видите на наших фотографиях, — находился в очень плохом состоянии.
  16. ^ Феррейра, Бекки (20 октября 2014 г.). «Этот солнцезащитный козырек убережет самый мощный в мире космический телескоп от перегрева». Vice .
  17. ^ "Солнцезащитный экран космического телескопа NASA James Webb успешно разворачивается и натягивается в ходе финальных испытаний". SciTechDaily. 20 декабря 2020 г. Получено 27 декабря 2021 г.
  18. ^ Морринг, Фрэнк-младший (16 декабря 2013 г.). «JWST Sunshade Folding, Deployment In Test» . Aviation Week & Space Technology . стр. 48–49. ISSN  0005-2175.
  19. ^ "About Webb Orbit". NASA . Получено 2 января 2022 г.
  20. ^ abcdefghi Аренберг, Дж.; Флинн, Дж.; Коэн, А.; Линч, Р.; Купер, Дж. (9 августа 2016 г.). Макьюэн, Ховард А.; Фацио, Джованни Г.; Листруп, Макензи; Баталья, Натали; Сиглер, Николас; Тонг, Эдвард С. (ред.). "Статус солнцезащитного козырька и космического корабля JWST" (PDF) . Общество инженеров фотооптической аппаратуры (SPIE) . Космические телескопы и аппаратура 2016: оптические, инфракрасные и миллиметровые волны. 9904 : 990405. Bibcode : 2016SPIE.9904E..05A. doi : 10.1117/12.2234481. S2CID  126299529. Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2016 г. Получено 28 марта 2018 г.
  21. ^ "Раскрыт задний щиток импульса космического телескопа Джеймса Уэбба". SciTechDaily . 30 декабря 2021 г. . Получено 6 января 2022 г. .
  22. ^ Кинзел, Уэйн. Концепция операций управления импульсом (отчет). Научный институт космического телескопа. CiteSeerX 10.1.1.434.6117 . 
  23. ^ abcde «Testing the Fold: The James Webb Space Telescope's Sunshield». NASA . 3 декабря 2012 г. Архивировано из оригинала 27 декабря 2021 г. Получено 20 января 2017 г.
  24. ^ ab "Super-Tough Sunshield to Fly on the James Webb Space Telescope". NASA . 12 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 17 ноября 2021 г. Получено 20 января 2017 г.
  25. ^ abc Lynch, Patrick (31 декабря 2021 г.). «С удлиненными средними балками телескопа Webb солнцезащитный козырек обретает форму». Космический телескоп James Webb (блоги NASA) . Получено 1 января 2022 г.
  26. ^ ab Lynch, Patrick (31 декабря 2021 г.). «First of Two Sunshield Mid-Booms Deploys». Космический телескоп Джеймса Уэбба (блоги НАСА) . Получено 1 января 2022 г.
  27. ^ Застроу, Марк (5 января 2022 г.). «Космический телескоп Джеймса Уэбба успешно развернул солнцезащитный экран». astronomy.com . Получено 5 января 2022 г. .
  28. ^ Фокс, Карен (3 января 2022 г.). «Первый слой солнцезащитного козырька Уэбба затянут». Космический телескоп Джеймса Уэбба (блоги НАСА) . Получено 4 января 2022 г.
  29. ^ Линч, Патрик (3 января 2022 г.). «Второй и третий слои солнцезащитного экрана полностью затянуты». Космический телескоп Джеймса Уэбба (блоги НАСА) . Получено 4 января 2022 г.
  30. ^ Фокс, Карен (4 января 2022 г.). «Команда Уэбба напрягает пятый слой, солнцезащитный экран полностью развернут». Космический телескоп Джеймса Уэбба (блоги НАСА) . Получено 5 января 2022 г.
  31. ↑ Шарки, Джим (2 ноября 2016 г.). «Завершен последний слой солнцезащитного экрана для космического телескопа имени Джеймса Уэбба НАСА». SpaceFlight Insider.
  32. ^ Левин, Сара (27 марта 2018 г.). "NASA откладывает запуск космического телескопа Джеймса Уэбба до 2020 года". Space.com . Получено 28 марта 2018 г. .
  33. ^ "Телескоп Уэбба НАСА запущен, чтобы увидеть первые галактики и далекие миры". НАСА . 25 декабря 2021 г. Получено 4 января 2022 г.
  34. ^ ab Dickinson, David (4 января 2022 г.). «Критический шаг в развертывании солнцезащитного экрана космическим телескопом Уэбба». skyandtelescope.org . Получено 4 января 2022 г. .
  35. ^ ab Clark, Stephen (5 января 2022 г.). «'We fited it!' Webb clears major hurdle with full sunshade deployment». Astronomy Now . Получено 5 января 2022 г. .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Sunshield (JWST) .