Концепция художника (2015) о том, как будет выглядеть космический телескоп Джеймса Вебба, когда он будет завершен и успешно развернут. Изображение предоставлено: Northrop Grumman.

Закулисный взгляд на создание величайшего телескопа из всех

Как был создан космический телескоп Джеймса Уэбба.

«Так или иначе, первые звезды, должно быть, повлияли на нашу собственную историю, начиная с разжигания всего и производя другие химические элементы, кроме водорода и гелия. Поэтому, если мы действительно хотим знать, откуда произошли наши атомы и как маленькая планета Земля стала способной поддерживать жизнь, нам нужно измерить то, что произошло в начале ». Джон Мазер

Итак, вы хотите увидеть еще дальше во Вселенной, чем когда-либо прежде? Чтобы узнать, как он вырос; измерить первые звезды и галактики; посмотреть на это по-новому и с большей точностью, чем когда-либо прежде? В принципе, это простая задача. Просто создайте большое первичное зеркало, чтобы собирать больше света, чем когда-либо прежде, чувствительное к более длинным длинам волн света, чем Хаббл, чтобы увидеть самый ранний свет, растягиваемый расширяющейся Вселенной, с помощью серии усовершенствованных инструментов для максимизации информации, получаемой от света, охлажденного до криогенных температур, чтобы минимизировать загрязнение. О, и делай все это в космосе, в таких масштабах, которых ты никогда не делал раньше. Это не просто наука и научные инструменты, которые доставят вас туда, но замечательная инженерная история о том, как предвидеть неизвестное и принимать вызов. Чтобы попасть туда, вы должны смотреть на вещи иначе, чем даже ученые. У меня была возможность сесть с Джоном Аренбергом, главным инженером космического телескопа Джеймса Уэбба в Northrup Grummon, и получить подсказку, как это работает, через его глаза.

Запуск космического корабля

Посмотрите на картинку выше, и что вы видите? Возможно, вы видите космический челнок. Возможно, вы видите космический челнок Колумбия, запускающийся ночью. Но Джону он видит кое-что еще: космический челнок, запускаемый со своим спутником на борту. Перед тем, как начать работу над Джеймсом Уэббом, Джон помог построить рентгеновскую обсерваторию Чандра, которая успешно работает в течение последних 18 лет. Одна из проблем, о которой вы не думаете с космическим телескопом, заключается в том, что он должен помещаться внутри ракеты-носителя, что накладывает дополнительные ограничения на изготовление, монтаж, конструкцию корпуса и электромеханический дизайн всего на борту. Вы должны планировать все этапы - с самого начала - убрать проектирование, запуск, декомпрессию, развертывание, воздействие космического вакуума и срок эксплуатации. И у каждого проекта есть свои уникальные проблемы.

Техники и ученые проверяют одно из первых двух зеркал полета телескопа Уэбба в чистой комнате в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. Изображение предоставлено NASA / Chris Gunn.

Для космического телескопа Джеймса Вебба кажется, что каждый вызов уникален. Архитектура телескопа совершенно новая для космического полета. Открытая архитектура для охлаждения, где аппарат пассивно охлаждается и защищен от солнца, является новой. Пятислойный солнцезащитный экран является новым, и должен был быть разработан с нуля. Это первое многосегментное зеркало в пространстве, означающее, что дизайн не только уникален, но и для развертывания потребовался совершенно новый дизайн. А работа телескопа - разворачивающаяся последовательность - сама по себе чудо инженерной мысли.

Проектирование и создание такого телескопа, изобилующего новыми проблемами, с которыми человечество еще никогда не сталкивалось, является проблемой не только в инженерном смысле. Вам необходимо оценить, сколько времени, денег и ресурсов вам потребуется, чтобы его построить. Вы не можете рассчитывать на то, что все работает так, как вы их спроектировали в первый раз; Вы не можете рассчитывать на свою первоначальную работу, пройдя все стресс-тесты; Вы не можете рассчитывать на плавную интеграцию с системой, которая еще не разработана. Вам нужно оценить «неизвестных неизвестных», когда вы впервые разрабатываете свой бюджет, и вам нужно создать команду, которая не только превосходна в том, что они делают, но и в выявлении и решении проблем, которые они не могли предвидеть. ,

Научные инструменты на борту модуля ISIM были опущены и установлены в основной сборке JWST в 2016 году. Изображение предоставлено НАСА / Крис Ганн.

Кроме того, разные компоненты достигают стадии завершения в разное время. Все четыре основных научных инструмента были созданы независимо американскими, канадскими, европейскими и другими международными партнерами. Модуль ISIM был построен в Годдарде и объединяет все инструменты с остальной частью космического корабля. Научная щедрость в ближней инфракрасной области, в спектроскопии, в способности указывать лучше, чем когда-либо прежде (с точностью до миллионной доли градуса), и в чувствительности будет бесподобна. Но у других компонентов - зеркал, солнцезащитного козырька и сборки - также есть множество уникальных проблем, с которыми вы, возможно, никогда не задумывались.

Установка 18-го и последнего сегмента первичного зеркала JWST. Черные крышки защищают позолоченные зеркальные сегменты. Изображение предоставлено NASA / Chris Gunn.

Зеркала. Когда вы производите телескопическое зеркало на Земле, вы можете сделать его при тех же условиях, что и при его использовании. Но в космосе, на инфракрасных длинах волн, вам необходимо изготовить сегментированную структуру, которая действует как гладкая, единичная поверхность с допуском 20 нанометров. Это должно быть легким весом для запуска, и это должно быть конструктивно. Чтобы изготовить эти зеркала, они производят гладкую поверхность при комнатной температуре, но придают ей необходимые свойства при температурах ниже уровня жидкого азота. Они производят его под действием силы тяжести Земли, но в этих масштабах даже деформация силы тяжести имеет значение; зеркала будут работать в условиях невесомости пространства. Они создают гладкую, полированную, покрытую поверхность спереди, но обрабатывают 92% задней части, создавая поверхность площадью 25 квадратных метров с всего лишь 6,25 метрическими тоннами материала: более чем в семь раз больше, чем у Хаббла, но только на 55% от Хаббла. масса. Основная проблема заключается в том, что вы можете проводить измерения только в ваших собственных контролируемых средах и ориентациях, но вам необходимо изготовить зеркала для работы в условиях космического полета. Как только вы сделаете первые успешные зеркала - те, которые проходят все испытания в рабочих условиях - зеркала закручиваются с удивительной регулярностью.

Первый успешный тест развертывания всех пяти уровней был проведен в 2014 году и дал ценные уроки, которые помогут обеспечить успех JWST во время запуска и развертывания. Изображение предоставлено: Northrop Grumman / Alex Evers.

Солнечный щит Всегда сложно разработать совершенно новый архитектурный элемент. Вплоть до JWST все инфракрасные космические телескопы активно охлаждались: вы поднимаете немного охлаждающей жидкости и помещаете свой телескоп в криогенный охладитель. Но этот телескоп слишком велик для этого! Поэтому вместо этого они спроектировали и построили серию многослойных экранов, чтобы навсегда защитить телескоп от Солнца: у JWST будет «солнечная сторона», с которой сталкиваются солнцезащитный экран и солнечные панели, и «теневая сторона», в которой размещены все инструменты и зеркала. Горячий конец горячей стороны составляет 350º C (662º F) или достаточно горячий, чтобы расплавить свинец, в то время как холодная сторона, на другом конце пяти слоев, должна быть холоднее, чем жидкий азот (77 K). Монументальные проблемы включали, как отводить тепло (из боковых сторон), как откачивать весь воздух во время запуска, не разрывая щит, как сделать отверстия, которые совмещаются при укладке, но не перекрываются при развертывании, и как сложить солнцезащитный козырек, чтобы исключить возможность зацепления во время развертывания. В конечном итоге успешный дизайн стал кульминацией и сочетанием современных симуляций / вычислений и старомодных методов изготовления рисунков / парусов / платьев; это было уникальное сочетание передовых технологий и мастерства. В конце концов, это всего лишь пять слоев пластика с покрытием, но если он будет работать так, как задумано, Джеймс Уэбб будет работать дольше, чем запланированный срок его службы - пять лет.

Радиатор с фиксированным ISIM, завершенный только в прошлом году, излучает тепло от модуля инструментов (ISIM), научных приборов и тепловых ремней. Изображение предоставлено NASA / Northrop Grumman.

Ассамблея. Это то, что вы обычно считаете самим космическим кораблем. Сборка поддерживает всю обсерваторию при запуске, она контролирует и направляет все различные инструменты, зеркала, антенны и многое другое. Он несет ответственность за данные, собранные, полученные и переданные; он отвечает за управление и наведение космического корабля. Но одна уникальная проблема, с которой он сталкивается, заключается в том, что при прохождении электричества через саму сборку и перемещении различных частей космического корабля выделяется тепло, и оно генерирует тепло не с той стороны солнечного щита! Телескоп направлен в сторону от Солнца, поэтому вы не можете сбрасывать туда свое ненужное тепло, пока на солнечной стороне нет тени (и места для отвода тепла). Решение заключалось в разработке серии оттенков для защиты критических частей обсерватории - частей, которые должны быть прохладными - от других частей космического корабля. Успешный поиск, разработка и реализация окончательного решения - одно из самых больших впечатлений, которое инженер может испытать в своей карьере.

Большое изображение галактик по цвету, морфологии, возрасту и присущим звездным популяциям можно увидеть на этом глубоком поле зрения. Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, Р. Уиндхорст, С. Коэн, М. Мечтли и М. Рутковски (Университет штата Аризона, Темп), Р. О'Коннелл (Университет Вирджинии), П. Маккарти (Обсерватории Карнеги), Н. Хати (Калифорнийский университет, Риверсайд), Р. Райан (Калифорнийский университет, Дэвис), Х. Ян (Университет штата Огайо) и А. Кокемер (Научный институт космического телескопа).

Да, наука будет невероятной. Как сказал об этом телескопе Гарт Иллингсворт, «за один день мы узнаем от космического телескопа Джеймса Вебба больше, чем человечество знает» о первых галактиках во Вселенной. Подобно тому, как «Проект ключа Хаббла» не был даже самой большой находкой, которую сделал космический телескоп Хаббла, возможно, благодаря своим уникальным возможностям, JWST откроет еще более глубокие секреты о Вселенной, чем то, что мы знаем, чтобы искать. Менее чем через два года мы начнем узнавать. Но без команды инженеров, которые спроектировали, построили и выполнили все это с исключительной точностью, у нас ничего бы этого не было. И после октября 2018 года Джон Аренберг и все, кто работал над Джеймсом Уэббом, получат новую картину.

Ракета Ariane 5 на стартовой площадке незадолго до запуска в октябре 2014 года будет очень похожа на запуск Джеймса Уэбба в октябре 2018 года. Изображение предоставлено: ESA / CNES / Arianespace - Optique Video du CSG - P. Piron.

Ракета Ariane 5, запущенная на рассвете, доставит Джеймса Уэбба под полным солнечным светом к месту назначения: точке Лагранжа L2, вне тени как Земли, так и Луны. Всего 32 минуты Джеймс Уэбб будет работать от батареи; после этого солнечные батареи развернутся, и на них всегда будет прямой солнечный свет. Его миссия по раскрытию Вселенной начнется, и каждый ученый и инженер, который помогал спроектировать и построить ее, получит свой праздничный момент жизни.

Этот пост впервые появился в Forbes и доступен вам без рекламы нашими сторонниками из Патреона. Прокомментируйте наш форум и купите нашу первую книгу: Beyond The Galaxy!