Концепция на художник (2015) за това как ще изглежда космическият телескоп на Джеймс Уеб, когато бъде завършен и успешно разгърнат. Кредит за изображение: Northrop Grumman

Зад кулисите поглед към изграждането на най-големия телескоп от всички

Как е направен космическият телескоп James Webb.

„По един или друг начин първите звезди трябва да са повлияли на нашата собствена история, като започнахме да разбъркваме всичко и да произвеждаме останалите химични елементи освен водород и хелий. Така че ако наистина искаме да знаем откъде произлизат нашите атоми и как малката планета Земя е способна да поддържа живота, трябва да измерим какво се е случило в началото. " -Джон Матер

И така, искате да видите по-далеч назад във Вселената от всякога? Да открием как е израснал; за измерване на първите звезди и галактики; да го видите по нов начин и с по-голяма точност от всякога? По принцип това е пряко предизвикателство. Просто изградете по-голямо първично огледало, за да съберете повече светлина от всякога досега, чувствителна към по-дългите вълни на светлината от Хъбъл, за да видите най-ранната светлина, разтегната от разширяващата се Вселена, с поредица от модерни инструменти за максимално увеличаване на информацията, извлечена от светлината, охладена до криогенни температури, за да се намали замърсяването. О, и правете всичко в космоса, в мащаб, който никога не сте го правили досега. Не само науката и научните инструменти ще ви заведат там, но забележителна инженерна история как да предвидите неизвестното и да се изправите пред предизвикателството. За да стигнете до там, трябва да видите нещата по различен начин от това как дори учените биха ги гледали. Имах шанс да седна с Джон Аренберг, главен инженер на космическия телескоп Джеймс Уеб Web Northrup Grummon, и да намекна как точно става това през очите му.

Стартирането на STS-93, космическата совалка Columbia, през 1999 г. Кредит за изображение: НАСА.

Погледнете снимката по-горе и какво виждате? Може би виждате космическата совалка. Може би виждате космическата совалка Columbia, която се изстрелва през нощта. Но за Джон той вижда нещо друго: космическата совалка се изстрелва със сателита си на борда. Преди да започне работа над Джеймс Уеб, Джон помага да се изгради рентгеновата обсерватория Чандра, която работи успешно през последните 18 години. Едно от предизвикателствата, за които не се сещате с космически телескоп, е, че той трябва да се побере в ракетата, което поставя допълнителни ограничения за производството, монтажа, дизайна на заграждението и електромеханичния дизайн на всичко на борда. Трябва да планирате за всеки етап - заложен дизайн, стартиране, декомпресия, разгръщане, излагане на вакуума на космоса и целия живот на операциите - от самото начало. И всеки проект има своите уникални предизвикателства.

Техници и учени проверяват едно от първите две полетни огледала на телескопа Уеб в чистата стая в Центъра за космически полети на Годард на НАСА. Кредит за изображение: НАСА / Крис Ган.

За космическия телескоп James Webb изглежда, че всяко предизвикателство е уникално. Архитектурата на телескопа е изцяло нова за космическия полет. Откритата архитектура за охлаждане, при която плавателното средство е пасивно охладено и екранирано от Слънцето, е ново. Петслойният слънцезащитен екран е нов и трябваше да бъде проектиран от нулата. Това е първото многосегментирано огледало в пространството, което означава, че дизайнът не само е уникален, но и за внедряването му е необходим изцяло нов дизайн. А работата на телескопа - разгръщащата се последователност - сама по себе си е чудо на инженерството.

Проектирането и изграждането на телескоп, подобен на нови предизвикателства, които никога не са се сблъсквали с човечеството, е предизвикателство в нещо повече от инженерния смисъл. Трябва да прецените колко време, пари и ресурси ви трябват, за да го изградите. Не можете да разчитате, че нещата работят по начина, по който сте ги проектирали за първи път; не можете да разчитате, че първоначалната ви работа преминава всички стрес тестове; не можете да разчитате на гладка интеграция със система, която все още не е проектирана. Трябва да прецените „неизвестните неизвестни“, когато за първи път проектирате бюджета си, и трябва да създадете екип, който не само превъзхожда това, което правят, но и отличава при идентифицирането и решаването на проблеми, за които не биха могли да предвиждат, че ще съществуват. ,

Научните инструменти на борда на ISIM модула, който се спуска и монтира в основната сглобка на JWST през 2016 г. Кредитно изображение: НАСА / Крис Гън.

В допълнение, различните компоненти достигат своя етап на завършване в различно време. Четирите основни научни инструмента са изградени независимо от американски, канадски, европейски и други международни партньори. ISIM модулът е създаден в Goddard и интегрира всички инструменти с останалата част от космическия кораб. Научната щедрост в близкото инфрачервено, в спектроскопията, в способността да се насочва по-добре от всякога (до по-добро от милионна степен) и в чувствителността ще бъде несравнима. Но останалите компоненти - огледалата, слънцезащитната обвивка и монтажа - също имат множество уникални предизвикателства, с които може би никога не сте се замисляли да се сблъскате.

Монтажът на 18-ия и последния сегмент на първичното огледало на JWST. Черните корици предпазват огледалните сегменти със златно покритие. Кредит за изображение: НАСА / Крис Ган.

Огледалата. Когато произвеждате огледало за телескоп на Земята, можете да го направите при същите условия, в които ще го използвате. Но в космоса, при инфрачервени дължини на вълните, трябва да произведете сегментирана структура, която действа като гладка, единична повърхност до толеранс от 20 нанометра. Тя трябва да бъде с леко тегло за изстрелване и трябва да бъде структурно здрава. За да направят тези огледала, те произвеждат гладка повърхност при стайна температура, но я проектират така, че да имат необходимите свойства при температури под течен азот. Те го произвеждат под земната гравитация, но при тези мащаби дори деформацията на гравитацията има значение; огледалата ще работят в пространството с нулева гравитация на пространството. Те създават гладката, полирана и покрита повърхност отпред, но машинно отдалечават 92% от гърба, създавайки повърхност от 25 квадратни метра с едва 6,25 метрични тона материал: повече от седем пъти по-голям от Хъбъл, но само 55% от този на Хъбъл маса. Основното предизвикателство е, че можете да правите измервания само в собствените си контролирани среди и ориентации, но е необходимо да произвеждате огледалата, за да работите в условия на космически полет. След като направите първите успешни огледала - тези, които преминават всички тестове при експлоатационни условия - огледалата се навиват и излизат с удивителна редовност.

Първият успешен тест за разгъване на всичките пет слоя беше проведен през 2014 г. и даде ценни уроци, които помагат да се гарантира успехът на JWST по време на стартирането и внедряването. Кредитна снимка: Northrop Grumman / Alex Evers.

Слънцезащитата. Винаги е предизвикателство да се разработи напълно нов архитектурен елемент. До JWST, всички инфрачервени космически телескопи се охлаждат активно: вдигате малко охлаждаща течност и поставяте телескопа си в криогенен охладител. Но този телескоп е твърде голям за това! Така те вместо това са проектирали и изградили серия от многослойни екрани, за да защитят телескопа от Слънцето за постоянно: JWST ще има „слънчева страна“, пред която са изправени слънцезащитните и слънчеви панели, и „сенчеста страна“, в която са разположени всички инструменти и огледала. Горещият край на горещата страна е 350 ° C (662 ° F), или достатъчно горещ, за да се стопи олово, докато хладният край, в другия край на петте слоя, трябва да бъде по-студен от течния азот (77 K). Монументалните предизвикателства включваха как да се изпуска топлината (отстрани), как да се евакуира целия въздух по време на изстрелване, без да се разкъсва щита, как да се правят дупки, които се подравняват, докато е складиран, но не се припокриват, докато се разгръщат и как да се сгъва слънцезащитната защита, за да се елиминира възможността за забиване по време на разполагане. В крайна сметка успешният дизайн беше кулминация и комбинация от съвременни симулации / изчисления и старомодни техники за изработка на модел / платно / рокля; това беше уникална комбинация от авангардни технологии и артистичност. В крайна сметка това са само пет слоя пластмаса с покритие, но ако работи както е проектирано, това ще задържи Джеймс Уеб много по-дълъг от планирания петгодишен живот.

Фиксираният ISIM радиатор, завършен точно миналата година, излъчва топлина далеч от модула на инструмента (ISIM), научните инструменти и топлинните ремъци. Кредит за изображение: НАСА / Northrop Grumman.

Асамблеята. Това обикновено смятате за самия космически кораб. Агрегатът задържа цялата обсерватория при изстрелване, контролира и насочва всички различни инструменти, огледала, антени и други. Той е отговорен за данните, събрани, получени и предадени; отговаря за боравенето и насочването на космическия кораб. Но едно уникално предизвикателство, с което се сблъсква е, че пускането на електричество през самия монтаж и придвижването на различни части на космическия кораб генерира топлина, а той генерира топлина от грешната страна на слънцезащитния екран! Телескопът е насочен встрани от Слънцето, така че не можете да изхвърлите отпадъчната си топлина там, докато няма страна на сянка (и няма къде да изхвърлите топлината) от страната на слънцето. Решението включваше разработване на серия от нюанси, за да се защитят критичните части на обсерваторията - частите, които трябва да се държат хладни - от другите части на космическия кораб. Успешното намиране, проектиране и изпълнение на крайното решение беше едно от най-големите вълнения, които един инженер може да изпита в кариерата си.

Голямо разнообразие от галактики в цвят, морфология, възраст и присъщи звездни популации може да се види в това дълбоко поле. Кредитна картина: НАСА, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley и M. Rutkowski (Arizona State University, Tempe), R. O'Connell (University of Virginia), P. McCarthy (Carnegie Observatories), Н. Хати (Калифорнийския университет, Ривърсайд), Р. Райън (Калифорнийския университет, Дейвис), Х. Ян (Държавен университет в Охайо) и А. Коекемоер (Научен институт за космически телескопи).

Да, науката ще бъде невероятна. Както Гарт Илингсуърт каза за този телескоп, "ние ще научим повече за един ден от космическия телескоп на Джеймс Уеб, отколкото човечеството в момента знае" за първите галактики във Вселената. Точно както „Ключовият проект на Хъбъл“ не беше дори най-великата находка, която космическият телескоп Хъбъл направи, може би с уникалните си възможности, JWST ще разкрие още по-дълбоки тайни за Вселената от това, което знаем да търсим. След по-малко от две години ще започнем да откриваме. Но без екипа от инженери, които проектираха, изградиха и изпълниха всичко това с изключителна точност, изобщо не бихме имали нищо от това. И след октомври 2018 г., Джон Аренберг и всички, които са работили върху Джеймс Уеб, ще имат нова снимка, която да споделят.

Ракета Ariane 5 на стартовия панел, малко преди изстрелването през октомври 2014 г., ще бъде изключително подобна на старта на Джеймс Уеб през октомври 2018 г. Кредитно изображение: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Ракета Ariane 5, изстреляна в зори, ще пренесе Джеймс Уеб в пълна слънчева светлина до своята дестинация: точката L2 Lagrange, отвъд сянката както на Земята, така и на Луната. Само за 32 минути Джеймс Уеб ще бъде под напрежение; след това слънчевите масиви се разгръщат и той завинаги ще бъде на пряка слънчева светлина. Мисията му да разкрие Вселената ще започне и всеки учен и инженер, помогнал за проектирането и изграждането й, ще получи своя празничен момент от живота.

Тази публикация за пръв път се появи във Forbes и е предоставена без реклами от нашите привърженици на Patreon. Коментирайте на нашия форум и купете първата ни книга: Beyond The Galaxy!