Стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии ( SOFIA ) была совместным проектом 80/20 NASA и Немецкого аэрокосмического центра (DLR) [1] по строительству и обслуживанию воздушной обсерватории . В 1996 году NASA заключило контракт на разработку самолета, эксплуатацию обсерватории и управление американской частью проекта с Ассоциацией космических исследований университетов (USRA). DSI (Немецкий институт SOFIA; нем .: Deutsches SOFIA Institut ) управлял немецкой частью проекта, которая была в основном связана с наукой и телескопами. Телескоп SOFIA увидел первый свет 26 мая 2010 года. SOFIA стала преемницей Воздушной обсерватории Койпера . Во время 10-часовых ночных полетов она наблюдала небесные магнитные поля, области звездообразования, кометы, туманности и Галактический центр .
Научные полеты были завершены после приземления 921-го и последнего рейса ранним утром 29 сентября 2022 года. Самолет Boeing 747SP, использовавшийся для перевозки телескопа, был законсервирован и выставлен в Музее авиации и космонавтики Пима недалеко от Тусона, штат Аризона .
SOFIA был основан на Boeing 747SP , укороченной на заводе версии широкофюзеляжного самолета , которая была модифицирована для включения большой двери в хвостовой части фюзеляжа , которая могла открываться в полете, чтобы обеспечить доступ к небу рефлекторному телескопу диаметром 2,5 м (8,2 фута). [2] Этот телескоп был разработан для инфракрасных астрономических наблюдений в стратосфере на высоте около 12 километров (41 000 футов). Летные возможности SOFIA позволяли ему подниматься почти над всем водяным паром в атмосфере Земли, который блокирует некоторые инфракрасные длины волн от достижения земли. На крейсерской высоте самолета было доступно 85% полного инфракрасного диапазона. Самолет также мог летать почти над любой точкой на поверхности Земли, позволяя вести наблюдение из северного и южного полушарий.
Наблюдательные полеты проводились три или четыре ночи в неделю. Обсерватория SOFIA базировалась в исследовательском центре полетов Армстронга NASA в региональном аэропорту Палмдейл , Калифорния, в то время как научный центр SOFIA базировался в исследовательском центре Эймса в Маунтин-Вью, Калифорния.
SOFIA использует 2,5-метровый (8,2 фута) рефлекторный телескоп , который имеет увеличенное главное зеркало диаметром 2,7 м (8,9 фута), как это было принято в большинстве больших инфракрасных телескопов. [3] Оптическая система использует конструкцию рефлектора Кассегрена с параболическим главным зеркалом и дистанционно настраиваемым гиперболическим вторичным зеркалом. Для того чтобы телескоп поместился в фюзеляж, главное зеркало было сформировано с f-числом всего 1,3, в то время как полученная оптическая схема имеет f-число 19,7. Плоское, третичное, дихроичное зеркало использовалось для отклонения инфракрасной части луча в фокус Несмита , где его можно было проанализировать. Оптическое зеркало, расположенное за третичным зеркалом, использовалось для системы наведения камеры. [4]
Телескоп выглядывал из большой двери в левом борту фюзеляжа около хвоста самолета и изначально имел девять инструментов для инфракрасной астрономии на длинах волн от 1 до 655 микрометров (мкм) и высокоскоростной оптической астрономии на длинах волн от 0,3 до 1,1 мкм. Основными инструментами были FLITECAM, камера ближнего инфракрасного диапазона, охватывающая 1–5 мкм; FORCAST, охватывающая средний инфракрасный диапазон 5–40 мкм; и HAWC, который охватывает дальний инфракрасный диапазон в диапазоне 42–210 мкм. Остальные четыре инструмента включают оптический фотометр и инфракрасные спектрометры с различными спектральными диапазонами. [5] За время своей эксплуатации телескоп SOFIA был самым большим, размещенным на самолете. Для каждой миссии к телескопу прикреплялся один сменный научный инструмент. Было доступно две группы инструментов общего назначения. Кроме того, исследователь может также спроектировать и построить специальный инструмент. 17 апреля 2012 года NASA выбрало два обновления HAWC для увеличения поля зрения с помощью новых матриц болометрических детекторов переходного края и для добавления возможности измерения поляризации пылевого излучения от небесных источников. [6]
Открытая полость, в которой размещался телескоп, подвергалась воздействию высокоскоростных турбулентных ветров. Кроме того, вибрации и движения самолета создают трудности для наблюдения. Телескоп был спроектирован очень легким, с сотовой формой, фрезерованной в задней части зеркала, и полимерным композитным материалом, используемым для сборки телескопа. Крепление включает в себя систему подшипников в масле под давлением, чтобы изолировать инструмент от вибрации. Отслеживание достигалось с помощью системы гироскопов, высокоскоростных камер и магнитных моментных двигателей для компенсации движения, включая вибрации от воздушного потока и двигателей самолета. [7] Кабина телескопа охлаждалась перед взлетом самолета, чтобы гарантировать, что телескоп соответствует внешней температуре, которую он будет испытывать на высоте, чтобы предотвратить термически вызванные изменения формы. Перед посадкой отсек был заполнен азотом, чтобы предотвратить конденсацию влаги на охлажденной оптике и инструментах. [4]
DLR отвечала за всю сборку и проектирование телескопа, а также за два из девяти научных инструментов, используемых с телескопом; NASA отвечало за самолет. Производство телескопа было передано на субподряд европейской промышленности. Телескоп был произведен в Германии; главное зеркало было отлито Schott AG в Майнце, Германия, с облегченными улучшениями, а шлифовку и полировку выполнила французская компания SAGEM -REOSC. Механизм вторичного зеркала на основе карбида кремния был изготовлен Швейцарским центром электроники и микротехнологий (CSEM). Отражающее поверхностное покрытие повторно наносилось на главное зеркало 1-2 раза в год, сначала на контрактном предприятии в Луизиане, пока консорциум не создал собственное предприятие по нанесению покрытий в Моффетт-Филд . [8]
Самолет SOFIA был модифицированным Boeing 747SP . [9] Компания Boeing разработала версию SP или «Special Performance» самолета 747 для сверхдальних перелетов, изменив конструкцию 747-100, удалив некоторые секции фюзеляжа и значительно модифицировав другие для снижения веса, что позволило 747SP летать выше, быстрее и дальше без остановок, чем любая другая модель 747 того времени. [14]
Boeing присвоил серийный номер 21441 планеру, который в конечном итоге стал SOFIA; это был 306-й построенный 747. Первый полет этого самолета состоялся 25 апреля 1977 года, и Boeing передал самолет Pan American World Airways 6 мая 1977 года. Самолет получил свою первую регистрацию самолета , N536PA, и Pan Am ввела самолет в коммерческую эксплуатацию для пассажиров. [11] Pan Am назвала самолет в честь летчика Чарльза Линдберга . По приглашению Pan Am вдова Линдберга, Энн , окрестила самолет Clipper Lindbergh 20 мая 1977 года, в 50-ю годовщину начала исторического полета ее мужа из Нью-Йорка в Париж в 1927 году. [11]
United Airlines приобрела самолет у Pan Am 13 февраля 1986 года, и самолет получил новую регистрацию N145UA. Самолет также получил новую ливрею без имени Линдберга. Самолет оставался в эксплуатации до декабря 1995 года, когда United Airlines поместила его на хранение недалеко от Лас-Вегаса. [15]
30 апреля 1997 года Ассоциация космических исследований университетов (USRA) приобрела самолет у United для использования в качестве воздушной обсерватории. 27 октября 1997 года NASA приобрело самолет у USRA. [15] В том же году NASA провело серию «базовых» летных испытаний, прежде чем E-Systems (позже Raytheon Intelligence and Information Systems, затем L-3 Communications Integrated Systems из Уэйко, штат Техас ) вносила в самолет какие-либо серьезные изменения. Чтобы обеспечить успешную модификацию, Raytheon приобрела секцию от другого 747SP, регистрационный номер N141UA, который был списан в начале 1998 года для использования в качестве полноразмерного макета . [16]
Начав работу в 1998 году, компания Raytheon спроектировала и установила дверь высотой 5,5 м (18 футов) (длина дуги) и шириной 4,1 м (13,5 футов) в задней левой части фюзеляжа самолета, которую можно было открыть в полете, чтобы телескоп мог смотреть в небо. Телескоп был установлен в задней части фюзеляжа за герметичной переборкой. Фокусная точка телескопа расположена в комплексе научных инструментов в герметичной центральной части фюзеляжа, требуя, чтобы часть телескопа проходила через герметичную переборку. В центре самолета находился отсек управления полетом и научных операций, в то время как в передней части размещалась зона образования и работы с общественностью. Открытый фюзеляж не оказывает существенного влияния на аэродинамику и летные качества самолета. [17]
По приглашению НАСА внук Линдберга, Эрик Линдберг, переименовал самолет в Clipper Lindbergh 21 мая 2007 года, в 80-ю годовщину завершения трансатлантического перелета Чарльза Линдберга. [18]
В декабре 2012 года самолет получил модернизированную стеклянную кабину экипажа , а также новые системы авионики и обновления программного обеспечения. [19]
28 апреля 2022 года проект объявил о выводе самолета из эксплуатации с 30 сентября 2022 года. Его 921-я и последняя миссия была над северной частью Тихого океана у побережья Калифорнии, взлет из Палмдейла и возвращение туда для посадки через 7 часов и 57 минут в 04:41 PDT (11:41 UTC ). [20] [21] [22]
Последний полет самолета состоялся 13 декабря 2022 года, когда самолет вылетел из Палмдейла и приземлился на авиабазе Дэвис-Монтен , где его передали в дар Музею авиации и космонавтики Пима, расположенному недалеко от Тусона, штат Аризона , где он был выставлен на обозрение. [23] [24] [25]
Первое использование самолета для проведения инфракрасных наблюдений было в 1965 году, когда Джерард П. Койпер использовал воздушную обсерваторию Галилео NASA для изучения Венеры. Три года спустя Фрэнк Дж. Лоу использовал обсерваторию Эймса Лирджета для наблюдений Юпитера и туманностей. [26] В 1969 году началось планирование установки 910-миллиметрового (36-дюймового) телескопа на воздушной платформе. Целью было выполнение астрономических наблюдений из стратосферы , где была гораздо меньшая оптическая глубина от поглощенного водяным паром инфракрасного излучения. Этот проект, названный воздушной обсерваторией Койпера , был открыт 21 мая 1975 года. Телескоп сыграл важную роль в многочисленных научных исследованиях, включая открытие системы колец вокруг планеты Уран. [27]
Предложение о более крупном телескопе, установленном на самолете, было официально представлено в 1984 году и предполагало, что Boeing 747 будет перевозить трехметровый телескоп. Предварительная концепция системы была опубликована в 1987 году в Красной книге . Было решено, что Германия внесет 20% от общей стоимости и предоставит телескоп. Однако воссоединение Германии и сокращение бюджета в NASA привели к пятилетнему спаду в проекте. Затем NASA заключило контракт на разработку с Ассоциацией космических исследований университетов (USRA), а в 1996 году NASA и Немецкий аэрокосмический центр (DLR) подписали меморандум о взаимопонимании по созданию и эксплуатации SOFIA. [28]
Главное зеркало телескопа SOFIA имело диаметр 2,5 метра и было изготовлено из Zerodur , стеклокерамического композита, производимого Schott AG, который имеет почти нулевое тепловое расширение . REOSC, оптический отдел группы SAGEM во Франции, уменьшил вес, фрезеровав карманы в форме сот сзади. Они закончили полировку зеркала 14 декабря 1999 года, достигнув точности 8,5 нанометров (нм) по оптической поверхности. [29] Вторичное зеркало в форме гиперболы было изготовлено из карбида кремния , полировка была завершена к маю 2000 года. [4] В 2002 году основные компоненты телескопа были собраны в Аугсбурге , Германия. Они состояли из узла главного зеркала, главной оптической опоры и узла подвески. После успешных интеграционных испытаний для проверки системы компоненты были отправлены в Уэйко, штат Техас, на борту самолета Airbus Beluga . Они прибыли 4 сентября 2002 года. [30] SOFIA завершила свой первый наземный «небесный» тест 18–19 августа 2004 года, сделав снимок звезды Полярная звезда . [31]
Проект был еще больше отложен в 2001 году, когда три субподрядчика, которым было поручено разработать дверь телескопа, один за другим вышли из бизнеса. United Airlines также вступила в процедуру банкротства и вышла из проекта в качестве оператора самолета. Телескоп был перевезен из Германии в Соединенные Штаты, где он был установлен в планере самолета в 2004 году, и первоначальные наблюдения были сделаны с земли. [7]
В феврале 2006 года, после увеличения стоимости с $185 млн до $330 млн, [32] НАСА поставило проект «на пересмотр» и приостановило финансирование, исключив проект из своего бюджета. 15 июня 2006 года SOFIA прошла пересмотр, когда НАСА пришла к выводу, что не существует непреодолимых технических или программных проблем для продолжения разработки SOFIA. [33] [34]
Первый полет SOFIA состоялся 26 апреля 2007 года на предприятии L-3 Integrated Systems (L-3 IS) в Уэйко, штат Техас. [35] После короткой программы испытаний в Уэйко для частичного расширения диапазона полета и проведения проверок после технического обслуживания, 31 мая 2007 года самолет был перемещен в Исследовательский центр полетов Армстронга НАСА на авиабазе Эдвардс . Первая фаза испытаний нагрузок и полета использовалась для проверки характеристик самолета с закрытой внешней дверью полости телескопа. Эта фаза была успешно завершена к январю 2008 года в Исследовательском центре полетов Армстронга НАСА. [36]
18 декабря 2009 года самолет SOFIA выполнил первый испытательный полет, в котором дверь телескопа была полностью открыта. Эта фаза длилась две минуты из 79-минутного полета. Телескоп SOFIA увидел первый свет 26 мая 2010 года, вернув изображения, показывающие ядро M82 и тепло от образования Юпитера, выходящее через его облачный покров. [ 37] Первоначальные «рутинные» полеты для научных наблюдений начались в декабре 2010 года [13] , и обсерватория должна была выйти на полную мощность к 2014 году с примерно 100 полетами в год. [7] [36]
С 2011 года миссии SOFIA выбирались из нескольких предложений. Успешные миссии были запланированы в соответствии с годовыми циклами, причем первый цикл соответствовал 2013 году. В течение каждого цикла самолет и приборы были разделены между несколькими различными миссиями. [38]
В десятилетнем обзоре астрофизики за 2020-е годы было рекомендовано, чтобы НАСА завершило операции SOFIA к 2023 году. «У комитета по обзору есть серьезные опасения по поводу SOFIA, учитывая его высокую стоимость и скромную научную продуктивность», — говорится в отчете. [39]
Основными научными целями SOFIA были изучение состава планетарных атмосфер и поверхностей; исследование структуры, эволюции и состава комет ; определение физики и химии межзвездной среды ; и исследование образования звезд и других звездных объектов. В то время как операции самолетов SOFIA управлялись Исследовательским центром полетов Армстронга NASA в Палмдейле, Калифорния, Исследовательский центр Эймса NASA в Маунтин-Вью, Калифорния, был домом Научного центра SOFIA, который управлял планированием миссий для программы. [7] 29 июня 2015 года карликовая планета Плутон прошла между далекой звездой и Землей, создав тень на Земле около Новой Зеландии , что позволило SOFIA изучить атмосферу Плутона . [40]
В начале 2016 года SOFIA впервые за 40 лет обнаружила атомарный кислород в атмосфере Марса . [41] В начале 2017 года ее наблюдения за 1 Церерой в среднем инфракрасном диапазоне помогли определить, что крупный астероид/карликовая планета была покрыта слоем астероидной пыли от других тел. [42] В июле 2017 года SOFIA наблюдала затмение звездой далекого объекта пояса Койпера 486958 Аррокот , в то время как наземные обсерватории не смогли провести это наблюдение, готовя зонд New Horizons для посещения этого астероида.
«София» также использовалась для астробиологических миссий, уделяя особое внимание, среди прочего, наблюдению за новыми планетными системами и обнаружению сложных молекул. [43]
В октябре 2020 года астрономы сообщили об обнаружении молекулярной воды на освещенной Солнцем поверхности Луны несколькими независимыми космическими аппаратами, включая Стратосферную обсерваторию инфракрасной астрономии (SOFIA). [44] [45] [46] [47]
В феврале 2024 года с помощью прибора FORCAST впервые было осуществлено обнаружение воды на астероидах. [48]
SOFIA изначально была разработана для поддержки надежной общественной образовательной и просветительской работы, которая в течение запланированного 20-летнего срока миссии может напрямую вовлечь более тысячи педагогов всех типов — учителей K-12 , педагогов научных музеев и планетариев, а также специалистов по работе с общественностью — в качестве партнеров ученого и охватить сотни тысяч людей по всей стране через этих педагогов. [49]
«SOFIA Six» были первым набором педагогов, отобранных в Соединенных Штатах для участия в программе SOFIA AAA «Пилот», и летали летом 2011 года. В Германии был отдельный процесс подачи заявок, но также летали два учителя тем летом. [50] Команды педагогов и их заместители были отобраны в ходе высококонкурентного процесса подачи заявок. NASA и DLR (Немецкое космическое агентство) выбрали педагогов из разных слоев общества, а их учреждения включали школу для глухих, альтернативный образовательный центр (с проблемами развития), крайне необеспеченные группы учащихся, сельские школы и школу коренных американцев. После цикла «Пилот» программа AAA летала более чем с 20 командами и сейчас находится в фазе цикла 5. [49] [51]
Актриса «Звездного пути» Нишель Николс полетела на борту SOFIA 17 сентября 2015 года. [52]
Серийный номер производителя: 21441 Номер строки: 306
также построил 747-100SP (специальные характеристики), который имел укороченный фюзеляж и был разработан для полетов выше, быстрее и дальше без посадок, чем любая модель 747 того времени.
13.02.1986 N536PA United Bought
