stringtranslate.com

Элемент оптического телескопа

Сборка зеркала спереди с прикрепленными основными зеркалами, ноябрь 2016 г.
Вторичное зеркало очищается снегом из углекислого газа

Элемент оптического телескопа ( OTE ) — это подраздел космического телескопа Джеймса Уэбба , большого инфракрасного космического телескопа, запущенного 25 декабря 2021 года [1] , состоящего из его главного зеркала , вторичных зеркал , каркаса и элементов управления для поддержки зеркал, а также различных тепловых и других систем. [1]

OTE собирает свет и отправляет его в научные приборы в интегрированном модуле научных приборов Уэбба . [1] OTE сравнивают с « глазом » телескопа, а его заднюю панель — с « позвоночником ». [2]

Первичное зеркало представляет собой мозаичную сборку из 18 шестиугольных элементов, каждый из которых имеет размер 1,32 метра (4,3 фута) от плоскости до плоскости. Эта комбинация обеспечивает эффективную апертуру в 6,5 метра (21 фут) и общую собирающую поверхность в 27 квадратных метров (290 квадратных футов). [3] Вторичные зеркала завершают анастигматическую оптику с эффективнымж /Фокусное отношение 20 и фокусное расстояние 131,4 метра (431 фут). [4] Основной трехзеркальный телескоп представляет собой конструкцию типа Korsch , [5] и он подключен к подсистеме кормовой оптики (часть OTE), которая, в свою очередь, подключена к интегрированному модулю научных приборов, в котором находятся научные приборы и датчик точного наведения.

Другие два основных раздела JWST — это интегрированный научный приборный модуль (ISIM) и элемент космического аппарата (SE), который включает в себя космическую шину и солнцезащитный экран . [6] Компоненты OTE были интегрированы L3Harris Technologies для формирования окончательной системы. [7]

Обзор

OTE объединяет в себе большое количество оптических и структурных компонентов космического телескопа Джеймса Уэбба, включая главное зеркало. [8] Он также имеет точное рулевое зеркало, которое обеспечивает окончательное точное наведение, и работает совместно с датчиком точного наведения и другими системами управления и датчиками в шине космического корабля . [8]

Сегменты главного зеркала приблизительно выравниваются с использованием алгоритма грубой фазировки . [8] Затем для более точной выравнивания специальные оптические устройства внутри NIRCam используются для проведения техники восстановления фазы, чтобы достичь расчетной ошибки волнового фронта менее 150 нм. [8] Для правильной работы в качестве фокусирующего зеркала 18 сегментов главного зеркала должны быть выровнены очень близко, чтобы работать как единое целое. [8] Это необходимо сделать в открытом космосе, поэтому требуются обширные испытания на Земле , чтобы убедиться, что это будет работать правильно. [8] Для выравнивания каждого сегмента зеркала он крепится к шести приводам, которые могут регулировать этот сегмент с шагом 5 нм. [8] Одна из причин, по которой зеркало было разделено на сегменты, заключается в том, что это снижает вес, поскольку вес зеркала связан с его размером, что также является одной из причин, по которой бериллий был выбран в качестве материала зеркала из-за его малого веса. [8] Хотя в по существу невесомой среде космоса зеркало почти ничего не будет весить, оно должно быть очень жестким, чтобы сохранять свою форму. [8] Подсистема обнаружения и управления волновым фронтом разработана таким образом, чтобы 18-сегментное главное зеркало вело себя как монолитное (цельное) зеркало, и это достигается частично за счет активного обнаружения и исправления ошибок. [9] Для достижения этого телескоп проходит девять процессов выравнивания по расстоянию. [9] Другим важным аспектом регулировок является то, что узел задней панели главного зеркала является устойчивым. [10] Узел задней панели изготовлен из графитового композита, инвара и титана . [10]

ADIR, Aft Deployable Infrared Radiator, представляет собой радиатор за главным зеркалом, который помогает поддерживать телескоп в прохладном состоянии. [11] ADIR два, и они сделаны из алюминия высокой чистоты. [11] На радиаторах есть специальное черное покрытие, которое помогает им излучать тепло в космос. [11]

Испытание задней оптической подсистемы в 2011 году, которая содержит третичное (3-е) зеркало и зеркало точного управления

Некоторые основные части OTE по данным NASA: [1]

Подсистема кормовой оптики включает в себя третичное зеркало и зеркало точного управления. [1] Одной из задач зеркала точного управления является стабилизация изображения. [12]

Металлический бериллий был выбран по ряду причин, включая вес, а также из-за его низкотемпературного коэффициента теплового расширения по сравнению со стеклом. [12] Кроме того, бериллий не является магнитным и является хорошим проводником электричества и тепла. [13] Другие инфракрасные телескопы, которые использовали бериллиевые зеркала, включают IRAS , COBE и Spitzer . [12] Демонстратор модели Subscale Beryllium (SBMD) был успешно испытан при криогенных температурах, и одной из проблем была шероховатость поверхности при низких числах Кельвина. [12] Бериллиевые зеркала покрыты очень тонким слоем золота для отражения инфракрасного света. [12] [14] Имеется 18 шестиугольных сегментов, которые сгруппированы вместе, чтобы создать единое зеркало с общим диаметром 6,5 метра (21 фут). [14]

ДТА

Разворачиваемая башня (DTA) — это место, где OTE соединяется с остальной частью телескопа, например, с автобусом космического корабля. Во время укладки есть еще одна точка крепления для сложенного солнцезащитного козырька выше на OTE

В основании OTE находится критически важный Deployable Tower Assembly (DTA). [15] компонент, который соединяет OTE с шиной космического корабля. Он должен расширяться, чтобы позволить Sunshield (JWST) расшириться, позволяя расширить пространство между пятью слоями. [15] Сегмент солнцезащитного экрана имеет несколько компонентов, включая шесть расширителей на внешнем крае для расширения слоев на шести концах.

Во время запуска DTA сжимается, но должен расширяться в нужный момент. [15] Расширенная структура DTA позволяет полностью развернуть слои солнцезащитного экрана. [15] DTA также должен термически изолировать холодную секцию OTE от горячего отсека космического корабля. [15] Солнцезащитный экран защитит OTE от прямых солнечных лучей и уменьшит тепловое излучение, попадающее на него, но другим аспектом является физическое соединение OTE с остальной частью космического корабля. [15] (см. Теплопроводность и теплопередача ) В то время как солнцезащитный экран не дает телескопу нагреваться из-за излучаемого Солнцем тепла, DTA должен изолировать телескоп от тепла остальной части конструкции, подобно тому, как изолированная ручка кастрюли защищает от тепла плиты.

DTA выдвигается с помощью двух телескопических трубок, которые могут скользить между собой на роликах. [15] Существует внутренняя трубка и внешняя трубка. [15] DTA выдвигается с помощью электродвигателя, который вращает шариковую винтовую гайку, которая раздвигает две трубки. [15] Когда DTA полностью развернут, его длина составляет 3 метра (10 футов). [16] Трубки DTA изготовлены из графитового композитного углеродного волокна, и предполагается, что они смогут выдержать условия космоса. [17]

Хронология

Испытательные стенды для разработки

Тестовая версия главного зеркала в масштабе одной шестой

Достижение рабочего главного зеркала считалось одной из самых сложных задач при разработке JWST. [8] Часть разработки JWST включала проверку и тестирование JWST на различных испытательных стендах разных функций и размеров. [26]

Некоторые типы элементов разработки включают в себя следопыты , испытательные стенды и инженерные испытательные блоки . [27] Иногда один элемент может использоваться для разных функций, или это может быть не физически созданный элемент вообще, а скорее программная симуляция. [27] Космический телескоп NEXUS был полным космическим телескопом, но по сути уменьшенным JWST, но с рядом изменений, включая только три зеркальных сегмента, один из которых раскладывался для диаметра главного зеркала 2,8 метра (9,2 фута). [28] Он был легче, поэтому предполагалось, что его можно будет запустить уже в 2004 году на ракете-носителе Delta 2. [28] Проект был отменен в конце 2000 года. [29] В то время NGST/JWST все еще был 8-метровым (26 футов) проектом с площадью 50 м 2 (540 кв. футов), несколько лет спустя он был в конечном итоге уменьшен до 6,5-метрового (21 фут) проекта с площадью 25 м 2 (270 кв. футов). [30]

Искатель ОТЕ

Частью разработки JWST было создание оптического телескопа Pathfinder. [31] OTE pathfinder использует два дополнительных зеркальных сегмента и дополнительное вторичное зеркало и объединяет различные структуры, чтобы обеспечить тестирование различных аспектов секции, включая наземное вспомогательное оборудование. [31] Это поддерживает GSE, который будет использоваться на самом JWST позже, и позволяет тестировать интеграцию зеркал. [31] OTE pathfinder имеет 12, а не 18 ячеек по сравнению с полным телескопом, но он включает в себя тест структуры объединительной платы. [32]

Дополнительные тесты/модели

Сравнение размеров главного зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и космического телескопа Хаббла (HST)

Существует множество тестовых образцов и демонстрационных образцов для разработки JWST. [27] Некоторые важные из них были ранними демонстраторами, которые показали, что многие из фундаментальных технологий JWST возможны. [27] Другие тестовые образцы важны для снижения рисков, по сути, снижая общий риск программы путем отработки на чем-то ином, чем реальный летательный аппарат.

Другой испытательный стенд, Test Bed Telescope, представлял собой модель главного зеркала в масштабе 1/6 с полированными сегментами и рабочими приводами, работающими при комнатной температуре, и использовался для проверки всех процессов выравнивания сегментов JWST. [9] Другой испытательный стенд для оптики называется JOST, что означает JWST Optical Simulation Testbed, и использует MEMS с шестиугольными сегментами для моделирования степеней свободы выравнивания и фазирования главного зеркала. [26]

Демонстрационная модель субмасштабного бериллиевого телескопа (SBMD) была изготовлена ​​и испытана к 2001 году и продемонстрировала передовые технологии для того, что вскоре было названо космическим телескопом Джеймса Уэбба, ранее космическим телескопом следующего поколения (NGST). [18] SBMD представлял собой зеркало диаметром полметра, изготовленное из порошкообразного бериллия. [18] Затем вес зеркала был уменьшен с помощью процесса изготовления зеркала, называемого «облегчением», при котором материал удаляется без нарушения его отражательной способности, и в этом случае было удалено 90% массы SBMD. [18] Затем он был установлен на жесткой задней панели с титановыми сошками и прошел различные испытания. [18] Это включало его замораживание до требуемых низких температур и наблюдение за тем, как он ведет себя оптически и физически. [18] Испытания проводились с помощью оптической испытательной системы (также известной как OTS), которая была создана специально для испытания SBMD. [18] [33] SBMD должен был соответствовать требованиям к зеркалу космического базирования, и эти уроки были важны для разработки JWST. [34] Испытания проводились на рентгеновской калибровочной установке (XRCF) в Космическом центре им. Маршалла (MSFC) в американском штате Алабама. [18] [33]

Для тестирования SBMD (прототипа зеркала NGST) в условиях криогенного вакуума необходимо было разработать оптическую испытательную систему (OTS). [33] OTS включала датчик WaveScope Shack-Hartmann и прибор для измерения расстояния Leica Disto Pro. [33]

Некоторые испытательные стенды, первопроходцы и т. д. технологии JWST:

Другая связанная программа — программа Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD). [36] Результаты AMSD были использованы при создании бериллиевых зеркал. [36]

Диаграмма 1

Маркированная схема компонентов элемента оптического телескопа

Галерея

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde "The James Webb Space Telescope". NASA . Получено 30 июля 2018 г.
  2. ^ "The James Webb Space Telescope" . Получено 5 декабря 2016 г. .
  3. ^ NASA. "JWST Innovations: The Primary Mirror" . Получено 2 августа 2017 г. Каждый из 18 шестиугольных зеркальных сегментов имеет диаметр 1,32 метра (4,3 фута), от плоскости к плоскости.
  4. ^ "JWST Telescope – JWST User Documentation" . Получено 27 января 2022 г. .
  5. ^ "Деятельность по оптическому моделированию для космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) НАСА: V. Обновления оперативного выравнивания" (PDF) . Получено 27 января 2022 г.
  6. ^ "The James Webb Space Telescope - Instruments and ISIM". Архивировано из оригинала 3 декабря 2016 г. Получено 3 ноября 2022 г.
  7. ^ "L3Harris James Webb Space Telescope Summary" . Получено 3 ноября 2022 г. .
  8. ^ abcdefghij Даукантас, Патрисия (ноябрь 2011 г.). «Оптические инновации в космическом телескопе Джеймса Уэбба». Optics & Photonics News . 22 (11): 22. doi :10.1364/OPN.22.11.000022 . Получено 19 мая 2017 г. .
  9. ^ abcd "Инновации космического телескопа Джеймса Уэбба - Зондирование и управление волновым фронтом" . Получено 3 ноября 2022 г. .
  10. ^ ab "Инновации в области космического телескопа Джеймса Уэбба - Задняя панель" . Получено 3 ноября 2022 г. .
  11. ^ abc "Высокопроизводительные криогенные радиаторы для космического телескопа Джеймса Уэбба" (PDF) . 46-я Международная конференция по экологическим системам . 10 июля 2016 г.
  12. ^ abcde "JWST – eoPortal Directory – Satellite Missions" . Получено 5 декабря 2016 г. .
  13. ^ "Космический телескоп Джеймса Уэбба - Зеркала Уэбба". NASA.gov . Получено 3 ноября 2022 г. .
  14. ^ ab "JWST: Гигантский Циклоп, открывающий глубины космоса". 10 июня 2014 г. Архивировано из оригинала 2017-07-01 . Получено 1 июля 2017 г.
  15. ^ abcdefghi Tran, Anh. "Аномалия развертывания башни космического телескопа Джеймса Уэбба и извлеченные уроки" (PDF) . Получено 3 ноября 2022 г.
  16. ^ Дженнер, Линн (2015-09-09). "Секреты "разворачиваемой башни" телескопа Уэбба НАСА". НАСА . Получено 2017-01-21 .
  17. ↑ Дженнер, Линн (9 сентября 2015 г.). «Секреты «разворачиваемой башни» телескопа Уэбба НАСА».
  18. ^ abcdefghi Рид, Тимоти; Кендрик, Стивен Э.; Браун, Роберт Дж.; Хадауэй, Джеймс Б.; Берд, Дональд А. (1 декабря 2001 г.). Шталь, Х. Филип (ред.). «Окончательные результаты программы Subscale Beryllium Mirror Demonstrator (SBMD)». Proc. SPIE . Optical Manufacturing and Testing IV. 4451 : 5–14. Bibcode : 2001SPIE.4451....5R. doi : 10.1117/12.453614. S2CID  120007487 – через NASA ADS.
  19. ^ "NASA – Завершена секция задней панели телескопа NASA Webb". www.nasa.gov .
  20. ^ «Установлено первое из 18 зеркал в ходе финальной стадии сборки космического телескопа НАСА «Джеймс Уэбб». 26 ноября 2015 г.
  21. ^ "Космический телескоп NASA's James Webb близок к завершению, достигнута середина пути к сегментированному главному зеркалу". Заголовки и мировые новости. 28 декабря 2015 г. Получено 3 ноября 2022 г.
  22. ^ "Основное зеркало космического телескопа имени Джеймса Уэбба НАСА полностью собрано". Пресс-релиз НАСА . Space Daily. 5 февраля 2016 г. Получено 05.02.2016 .
  23. ^ Дженнер, Линн (2016-03-07). "Установлено вторичное зеркало космического телескопа имени Джеймса Уэбба НАСА". НАСА . Получено 24.01.2017 .
  24. ^ "GMS: JWST Aft-Optics System (AOS) Installed at GSFC". 14 апреля 2016 г. Получено 5 декабря 2016 г.
  25. ^ Морис Те Плейт, Стефан Биркманн, Марко Сирианни, Тимоти Роул, Катарина Алвес де Оливейра, Торстен Бёкер, Елена Пуга, Нора Лютцгендорф, Энтони Марстон, Питер Рамлер, Питер Йенсен, Джованна Джардино, Пьер Ферруит, Ральф Эренвинклер, Питер Моснер, Герман Карл, Мартин Альтенбург, Марк Машманн, Роберт Рапп, Корбетт Смит, Патрик Огл, Мария Пенья Герреро, Чарльз Проффитт, Рай Ву, Грэм Канарек и Джеймс Музеролле «Статус спектрографа ближнего инфракрасного диапазона JWST и первые результаты испытаний OTIS», Proc. SPIE 10698, Космические телескопы и приборы 2018: оптические, инфракрасные и миллиметровые волны, 1069807 (6 июля 2018 г.); doi :10.1117/12.2312651
  26. ^ abcde Перрен, Маршалл Д.; Саммер, Реми; Шоке, Элоди; Н'Диай, Мамаду; Левек, Оливье; Лажуа, Шарль-Филипп; Югуф, Мари; Лебулле, Люси; Эгрон, Сильвен; Андерсон, Рэйчел; Лонг, Крис; Эллиотт, Эрин; Хартиг, Джордж; Пуэйо, Лоран; ван дер Марель, Руланд; Маунтин, Мэтт (июнь 2014 г.). Ошманн, Якобус М.; Клэмпин, Марк; Фацио, Джованни Дж.; МакИвен, Ховард А. (ред.). Стенд I для оптического моделирования космического телескопа Джеймса Уэбба: обзор и первые результаты . Космические телескопы и приборы 2014: оптические, инфракрасные и миллиметровые волны. Том. 9143. Монреаль, Квебек, Канада: SPIE (опубликовано 2 августа 2014 г.). arXiv : 1407.0591 . Bibcode :2014SPIE.9143E..09P. doi :10.1117/12.2056936. ISSN  0277-786X. S2CID  118347299.
  27. ^ abcd Фил Сабельхаус (2006-05-20). "Статус проекта JWST для CAA" (PDF) .
  28. ^ ab "Мультидисциплинарный анализ космического телескопа-предшественника NEXUS" (PDF) . 2002-12-18 . Получено 2021-11-07 .
  29. ^ "MIT Strategic Engineering Research Group: Olivier L. de Weck". strategic.mit.edu . Получено 2017-02-03 .
  30. ^ Mather, John (март 2022 г.). "JWST Science Summary for SSB" (PDF) . Получено 3 ноября 2022 г. .
  31. ^ abcd Feinberg, Lee D.; Keski-Kuha, Ritva; Atkinson, Charlie; Booth, Andrew; Whitman, Tony (2014). "James Webb Space Telescope (JWST) Optical Telescope Element (OTE) Pathfinder status and plans". В Oschmann, Jacobus M; Clampin, Mark; Fazio, Giovanni G; MacEwen, Howard A (ред.). Space Telescopes and Instrumentation 2014: Optical, Infrared, and Millimeter Wave. Vol. 9143. pp. 91430E. doi :10.1117/12.2054782. S2CID  121581750.
  32. ^ Уиллоуби, Скотт П. (февраль 2012 г.). «PRIME: Нерассказанная история космического телескопа НАСА «Джеймс Уэбб». Sat Magazine . Получено 3 ноября 2022 г.
  33. ^ abcde Hadaway, James B.; Geary, Joseph M.; Reardon, Patrick J.; Peters, Bruce R.; Stahl, H. Philip; Eng, Ron; Keidel, John W.; Kegley, Jeffrey R.; Reed, Timothy; Byrd, Donald A. (1 января 2001 г.). Stahl, H. Philip (ред.). "Результаты криогенных оптических испытаний демонстратора субмасштабного бериллиевого зеркала (SBMD)". Optical Manufacturing and Testing IV . 4451 : 15–26. Bibcode : 2001SPIE.4451...15H. doi : 10.1117/12.453625. S2CID  110914244.
  34. ^ "Краткое изложение программы демонстратора бериллиевых зеркал малого масштаба (SBMD) и моделирование шаров". Январь 2001 г.
  35. ^ abc "NASA – Scanning Webb's Surrogate Eye". www.nasa.gov . Получено 21.01.2017 .
  36. ^ ab Thronson, Harley A.; Stiavelli, Massimo; Tielens, Alexander (2009). Астрофизика в следующем десятилетии: космический телескоп Джеймса Уэбба и сопутствующие объекты. Springer Science & Business Media. стр. 8. ISBN 978-1-4020-9457-6.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Элемент оптического телескопа (JWST)» .