Spørgsmål og svar om sejheden af ​​NASAs webbteleskop

Hvor modstandsdygtigt skal et rumteleskop være for at overleve både Jordens miljø og det kolde, luftløse omgivelser i rummet? Paul Geithner, viceprojektlederen – teknisk for James Webb Space Telescope ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, besvaret nogle spørgsmål om designudfordringerne ved at bygge teleskopet og den kappe af test, det har udstået i årene op til opsendelsen. James Webb rumteleskop, eller Webb, er NASAs kommende infrarøde rumobservatorium, som lanceres i 2019.

Q:Hvilken slags betingelser skal Webb og dets instrumenter modstå?

Paul:Hele observatoriet skal overleve de mekanisk belastende forhold fra den voldsomme vibration ved opsendelsen. Ud over dette, den "kolde" halvdel af observatoriet – teleskopet og dets instrumenter – skal overleve det termiske svind, der opstår, når de afkøles fra stuetemperatur til de kryogene temperaturer, som de opererer ved i rummets kulde.

Den tekniske udfordring er at betjene Webb ved ekstremt kolde temperaturer, da Webb er bygget ved stuetemperatur. Materialer krymper typisk ved forskellige temperaturhastigheder, når de bliver kolde. Vi skal bygge Webb-teleskopet på en måde, så det krymper til præcis den rigtige form og dimensioner, når det er ekstremt koldt. Webb er nødt til at overleve belastningerne ved at krympe og udvide sig under kolde temperaturtest og varme det op igen - ting, der vil ske, når det går ud i rummet.

Webb skal overleve årevis i rummet, udsat for strålingen fra solen og galaksen.

Spørgsmål:Hvorfor er vibrationstestning så vigtig, og hvordan viser det, at Webb er klar til lanceringen?

Paul:Vibrationstest udføres af to grunde. En grund er at validere, at Webb kan håndtere de hårde rystelser, den vil opleve, mens han rider en raket ud i rummet, og den anden grund er at verificere håndværket af Webbs konstruktion og bevise, at designet var konstrueret og samlet korrekt.

Vi bruger to komplementære metoder til vibration. For lavere vibrationsfrekvenser, betyder fra omkring 5 hertz (cyklusser pr. sekund) til 100 hertz, vi sætter hardwaren på en overflade – dybest set en stor metalplade – der kører på lejer, så den kan bevæge sig frem og tilbage, og denne overflade er i det væsentlige forbundet med en stor elektromagnet, der genererer rystebevægelsen.

For højere frekvenser, over 100 hertz, det er meget svært eller umuligt at opnå den nødvendige vibration med et stort vibrationsbordsystem, så i stedet sætter vi hardwaren i et akustikkammer. Dette er et tykvægget rum med store højttalere, der producerer bogstaveligt talt øredøvende lydniveauer.

Taget sammen, vibrationsbordet og akustikkammeret producerer de vibrationsmiljøer, vi har brug for for at teste Webb ordentligt. Typisk for en enestående artikel som Webb, de vibrationsniveauer, vi udsætter den for ved test på jorden, er omkring det dobbelte af, hvad den vil udholde under missionen. Denne test giver os tillid til, at Webb er sat sammen korrekt, vil overleve selve flyvningen, og vil fungere som designet en gang i rummet.

Spørgsmål:Hvorfor er kryogen testning så vigtig, og hvordan viser det, at Webb er klar til rummets stress?

Paul:Superkolde eller "kryogene" test er en del af at demonstrere og verificere, at Webbs instrumenter og komponenter fungerer, som de skal, og vil fungere korrekt én gang ved Jordens andet Lagrange-punkt (L2). L2-punktet er omkring 1 million miles fra Jorden.

Vi satte Webb-teleskopets hardware ind i et stort vakuumkammer, Luk døren, pumpe al luften ud, og kør derefter flydende nitrogen og ekstrem kold heliumgas gennem VVS, der krydser overfladen af ​​tynde "skaller", der er indlejret i russisk dukkestil inde i vakuumkammeret.

Skallerne kaldes også ligklæder, og de er meget kolde. Den ydre nærmer sig 77 Kelvin (ca. minus 321 grader Fahrenheit/minus 196 grader Celsius - temperaturen på det flydende nitrogen). Den indre skal løber mellem 10 og 20 Kelvin (mellem minus 442 grader Fahrenheit/minus 263 grader Celsius og minus 424 grader Fahrenheit/minus 253 grader Celsius - temperaturen på den kolde heliumgas). Alt, der ligger inde i ligklæderne, vil udstråle sin latente varme til dem og blive rigtig koldt, også.

Effekten svarer til, hvad der sker på en klar nat, når varmen fra den foregående dag stråler frit ud på nattehimlen. Om morgenen, temperaturen kan være ret kold. Tænk på ørkenen, hvor himlen typisk er tør og klar. Selvom det er stegende varmt om dagen, det bliver koldt om natten, fordi varmen stråler væk fra overfladen.

Q:Hvorfor har Webb brug for et "solskjold, " og hvilken slags beskyttelse giver det?

Paul:Instrumenterne er skygget for solen af ​​en tennisbane på størrelse med fem lag, solafskærmning, der kan bruges. Solskjoldet består af udfoldelige bomme og gossamer polyimidmembraner, hovedsagelig plader af specialplast (DuPont Kapton), hver kun omkring en tusindedel af en tomme tyk og belagt med reflekterende aluminium og beskyttende silicium. I bund og grund, det ligner en fem-lags, kæmpe sølvdrage i rummet.

Vi har brug for et solskjold for at holde teleskopet og instrumenterne kolde, fordi Webb er et infrarødt teleskop, hvilket betyder, at den ser infrarødt lys. Infrarødt lys er lys, der er lidt længere, eller rødere, bølgelængder end synligt lys. Vi kan ikke se det med vores øjne, men vi kan mærke det som strålevarme.

For at et infrarødt teleskop skal være så følsomt som muligt, dets optik og videnskabelige instrumenter skal være meget kolde, så deres egen varme ikke gør dem blinde for de svage infrarøde signaler, de forsøger at observere fra astronomiske objekter. I rummet og skygget for solen af ​​solskjoldet, teleskopet og de videnskabelige instrumenter vil møde den ekstreme kulde i det dybe rum og vil selv blive meget kolde.

Q:Hvilke materialer blev brugt til at bygge Webb, og hvordan øger disse materialer Webbs modstandsdygtighed?

Paul:Vi brugte beryllium til mange af Webbs spejle og nogle af strukturerne, fordi det samtidig er let, stiv, stærk, og formstabil (stopper med at krympe og udvide sig) ved teleskopets driftstemperatur. Beryllium ændrer dimensioner meget med temperaturen, men det holder næsten op med at skrumpe, når det kommer under en temperatur på 100 Kelvin (ca. minus 280 grader Fahrenheit eller minus 173 grader Celsius).

Vi brugte mange andre materialer på nettet, inklusive aluminium til nogle ting, rustfrit stål til fastgørelseselementer, titanium til strukturer og fastgørelseselementer, invar (en legering) til strukturelle knudepunkter, og mange andre metaller. Vi har også ikke-metaller som grafit-epoxy-kompositter til de fleste strukturer og siliciumcarbidkeramik til et af de videnskabelige instrumenter (den nær-infrarøde spektrograf-NIRSpec).

Spørgsmål:Webbs kredsløb ved Jordens andet Lagrange-punkt (L2) er uden for den beskyttende kappe af Jordens magnetfelt, hvilket betyder, at teleskopet er mere modtageligt for solens stråling og soludbrud. Hvordan er Webb isoleret fra disse trusler?

Paul:Jordens magnetfelt fungerer som et afbøjningsskjold for protoner og elektroner, der hele tiden spyr ud fra solen. Beskyttelse af satellitter inden for Jordens magnetfelt omfatter at sætte noget metal - som aluminiumspaneler - mellem elektronik og rummiljøet, implementering af god elektrisk jording, og gøre elektroniske komponenter modstandsdygtige over for stråling. Fordi Webb er uden for Jordens magnetfelt, det vil blive bombarderet af ladede partikler, der strømmer fra solen, og derfor har den brug for ekstra beskyttelse. Disse ladede partikler er hårde ved elektronik, og de kan akkumulere på overflader for at opbygge statisk ladning, der kan forårsage skadelige udledninger.

Webb vil også være sårbar over for den lejlighedsvise massive "bøvs" fra solen, der sker med soludbrud og koronale masseudslip, som er fænomener, hvor solen frigiver snegle af måske et par års værdi af protoner og elektroner på få timer. For at gøre Webb i stand til at klare sådan stormfuldt solvejr såvel som almindelige "dejlige dage, Næsten al dens elektronik er afskærmet inde i metalkasser og bag flere lag metal eller metalbelagt film.

Elektronikken på den kolde side af Webbs solskærm får en vis fordel ved at være bag skjoldets fem lag, som er belagt med aluminium. Elektronikken inde i rumfartøjsbussen, som vender mod solen, er hærdet, afskærmet, og jordet. Webb brugte gennemprøvet og ægte designpraksis og satellitbyggekoder for at sikre, at den vil overleve og fungere i L2-miljøets barske omgivelser.

Q:Webb er ikke designet til at blive serviceret, men kunne det i sidste ende repareres eller tankes op under en robotservicemission?

Paul:Tænkeligt, noget robotservice af Webb kunne være muligt. En robot kunne gribe Webb på samme sted, hvor den var fastgjort til Ariane løfteraket, som er løfterakettens grænsefladering på den solvendte rumfartøjsbus, og hæld derefter brændstof på dens fremdrivningstank. I betragtning af at Webb er et udsøgt følsomt infrarødt observatorium, og meget af det er ved kryogene temperaturer, muligheder og fordele ved servicering er begrænsede.

James Webb Space Telescope er verdens førende infrarøde rumobservatorium i det næste årti. En barrierebrydende mission for ingeniører og astronomer, Webb vil løse mysterier i vores solsystem, se ud over til fjerne verdener omkring andre stjerner, og undersøge de mystiske strukturer og oprindelsen af ​​vores univers og vores plads i det. Webb er et internationalt program ledet af NASA med dets partnere, Den Europæiske Rumorganisation (ESA), og den canadiske rumfartsorganisation (CSA).