• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Frågor och svar om tuffheten hos NASAs webbteleskop

    NASA:s rymdteleskop James Webb kommer att kretsa runt solen, 1 miljon miles från jorden vid vad som kallas den andra Lagrangepunkten, eller L2. Det speciella med denna bana är att den låter teleskopet hålla sig i linje med jorden när det rör sig runt solen. Kredit:NASA

    Hur motståndskraftigt måste ett rymdteleskop vara för att överleva både jordens miljö och kylan, luftlös miljö i rymden? Paul Geithner, biträdande projektledaren – teknisk för James Webb Space Telescope vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, svarade på några frågor om designutmaningarna med att bygga teleskopet och testhandsken det har utstått under åren fram till lanseringen. James Webb rymdteleskop, eller Webb, är NASA:s kommande infraröda rymdobservatorium, som kommer att lanseras 2019.

    F:Vilken typ av förhållanden behöver Webb och dess instrument tåla?

    Paul:Hela observatoriet måste överleva de mekaniskt påfrestande förhållandena från uppskjutningens våldsamma vibrationer. Dessutom, den "kalla" halvan av observatoriet – teleskopet och dess instrument – ​​måste överleva den termiska krympningen som uppstår när de svalnar från rumstemperatur till de kryogena temperaturer vid vilka de arbetar i rymdens kyla.

    Den tekniska utmaningen är att använda Webb vid extremt kalla temperaturer, eftersom Webb är byggd i rumstemperatur. Material krymper vanligtvis vid olika temperaturhastigheter när de blir kalla. Vi måste bygga Webb-teleskopet på ett sätt så att det krymper till exakt rätt form och mått när det är extremt kallt. Webb måste överleva påfrestningarna av att krympa och expandera under kalla temperaturtester och värma upp den igen - saker som kommer att hända när den går ut i rymden.

    Webb måste överleva år i rymden, exponeras för strålningen från solen och galaxen.

    F:Varför är vibrationstestning så viktigt, och hur visar det att Webb är redo för lanseringen?

    NASAs ingenjörer och tekniker utför vibrationstester på James Webb Space Telescope vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, i februari 2017. Kredit:NASA/Chris Gunn

    Paul:Vibrationstestning görs av två anledningar. En anledning är att validera att Webb kan hantera den hårda skakningen den kommer att uppleva när den rider en raket ut i rymden, och det andra skälet är att verifiera utförandet av Webbs konstruktion och bevisa att designen var konstruerad och monterad på rätt sätt.

    Vi använder två komplementära metoder för vibration. För lägre vibrationsfrekvenser, betyder från cirka 5 hertz (cykler per sekund) till 100 hertz, vi lägger hårdvaran på en yta – i princip en stor metallplatta – som åker på lager så att den kan röra sig fram och tillbaka, och denna yta är ansluten till i huvudsak en stor elektromagnet som genererar skakrörelsen.

    För högre frekvenser, över 100 hertz, det är mycket svårt eller omöjligt att uppnå den nödvändiga vibrationen med ett stort vibrationsbordssystem, så istället lägger vi hårdvaran i en akustikkammare. Detta är ett tjockväggigt rum med stora högtalare som producerar bokstavligen öronbedövande ljudnivåer.

    Tagen tillsammans, vibrationsbordet och akustikkammaren producerar de vibrationsmiljöer vi behöver för att korrekt testa Webb. Vanligtvis för en unik artikel som Webb, vibrationsnivåerna vi utsätter den för vid testning på marken är ungefär dubbelt så stor som den kommer att utstå under uppdraget. Denna testning ger oss förtroende för att Webb har satts ihop korrekt, kommer att överleva själva flygningen, och kommer att fungera som designat en gång i rymden.

    F:Varför är kryogena tester så viktiga, och hur visar det att Webb är redo för rymdens påfrestningar?

    Paul:Superkalla eller "kryogena" tester är en del av att demonstrera och verifiera att Webbs instrument och komponenter fungerar som de ska och kommer att fungera korrekt en gång vid jordens andra Lagrangepunkt (L2). L2-punkten är cirka 1 miljon miles från jorden.

    Ingenjörer poserar vid NASA:s rymdteleskop James Webb kort efter att det dök upp från kammare A vid NASA:s Johnson Space Center i Houston den 1 december, 2017. Kredit:NASA/Chris Gunn

    Vi placerade Webb-teleskopets hårdvara i en stor vakuumkammare, Stäng dörren, pumpa ut all luft, och kör sedan flytande kväve och extremt kall heliumgas genom rörledningar som korsar ytan av tunna "skal" som är kapslade i rysk docka inuti vakuumkammaren.

    Skalen kallas också höljen, och de är väldigt kalla. Den yttre närmar sig 77 Kelvin (cirka minus 321 grader Fahrenheit/minus 196 grader Celsius—temperaturen på det flytande kvävet). Det inre skalet går mellan 10 och 20 Kelvin (mellan minus 442 grader Fahrenheit/minus 263 grader Celsius och minus 424 grader Fahrenheit/minus 253 grader Celsius—temperaturen på den kalla heliumgasen). Allt som ligger inbäddat i höljena kommer att utstråla sin latenta värme till dem och bli riktigt kallt, för.

    Effekten liknar vad som händer en klar natt, när värmen från föregående dag strålar fritt mot natthimlen. På morgonen, temperaturen kan vara ganska kall. Tänk på öknen, där himlen vanligtvis är torr och klar. Även om det är stekhett under dagen, det blir kallt på natten eftersom värmen strålar bort från ytan.

    F:Varför behöver Webb en "solsköld, " och vilken typ av skydd ger det?

    Paul:Instrumenten skuggas från solen av en tennisbana, fem lager, utfällbart solskydd. Solskyddet består av utfällbara bommar och gossamer polyimidmembran, huvudsakligen ark av specialplast (DuPont Kapton), var och en endast cirka en tusendels tum tjock och belagd med reflekterande aluminium och skyddande kisel. I grund och botten, det ser ut som en femlagers, jätte silverdrake i rymden.

    Vi behöver en solskärm för att hålla teleskopet och instrumenten kalla eftersom Webb är ett infrarött teleskop, vilket betyder att den ser infrarött ljus. Infrarött ljus är ljus som är något längre, eller rödare, våglängder än synligt ljus. Vi kan inte se det med våra ögon, men vi kan känna det som strålningsvärme.

    Solskölden på NASAs James Webb rymdteleskop kommer att förhindra att bakgrundsvärmen från solen stör teleskopets infraröda sensorer. Den designades av Northrop Grumman Aerospace Systems i Redondo Beach, Kalifornien. Kredit:Northrop Grumman

    För att ett infrarött teleskop ska vara så känsligt som möjligt, dess optik och vetenskapliga instrument måste vara väldigt kalla, så deras egen värme gör dem inte blinda för de svaga infraröda signaler som de försöker observera från astronomiska objekt. I rymden och skuggad från solen av solskölden, teleskopet och de vetenskapliga instrumenten kommer att möta den extrema kylan i rymden och kommer att bli väldigt kalla själva.

    F:Vilka material användes för att bygga Webb, och hur ökar dessa material Webbs motståndskraft?

    Paul:Vi använde beryllium för många av Webbs speglar och några av strukturerna eftersom det samtidigt är lätt, styv, stark, och formstabil (slutar att krympa och expandera) vid teleskopets driftstemperatur. Beryllium ändrar dimensioner mycket med temperaturen, men det slutar praktiskt taget att krympa när det går under en temperatur på 100 Kelvin (cirka minus 280 grader Fahrenheit eller minus 173 grader Celsius).

    Vi använde många andra material på webben, inklusive aluminium för vissa saker, rostfritt stål för fästelement, titan för strukturer och fästelement, invar (en legering) för strukturella noder, och många andra metaller. Vi har också icke-metaller som grafit-epoxikompositer för de flesta strukturer och kiselkarbidkeramik för ett av de vetenskapliga instrumenten (den nära infraröda spektrografen - NIRSpec).

    F:Webbs bana vid jordens andra Lagrange-punkt (L2) är bortom det skyddande höljet av jordens magnetfält, vilket betyder att teleskopet är mer mottagligt för solens strålning och för solflammor. Hur är Webb isolerad från dessa hot?

    Paul:Jordens magnetfält fungerar som en deflektorsköld för protoner och elektroner som hela tiden spyr ut från solen. Skydd för satelliter inom jordens magnetfält inkluderar att placera lite metall – som aluminiumpaneler – mellan elektronik och rymdmiljön, implementera god elektrisk jordning, och göra elektroniska komponenter resistenta mot strålning. Eftersom Webb är utanför jordens magnetfält, det kommer att bombarderas av laddade partiklar som strömmar från solen, och därför behöver den extra skydd. Dessa laddade partiklar är hårda för elektronik, och de kan ackumuleras på ytor för att bygga upp statisk laddning som kan orsaka skadliga urladdningar.

    Eftersom vikten av en nyttolast är så avgörande för att kostnadseffektivt kunna skjuta upp den i rymden, vart och ett av Webb-teleskopets primära spegelsegment var "lättviktade". Processen involverade att skära bort det mesta av baksidan av varje spegelsegment samtidigt som strukturella ribbor lämnades för stöd, vilket minskar vikten samtidigt som spegelns styrka och integritet bibehålls. Kredit:  NASA

    Webb kommer också att vara sårbar för enstaka massiva "rapningar" från solen som händer med solflammor och koronala massutkastningar, vilket är fenomen där solen släpper ut sniglar på kanske några års protoner och elektroner på bara timmar. För att göra det möjligt för Webb att klara av sådant stormigt solväder såväl som vanliga "trevliga dagar, Nästan all dess elektronik är skärmad inuti metalllådor och bakom flera lager av metall eller metallbelagd film.

    Elektroniken på den kalla sidan av Webbs solskydd får en viss fördel av att vara bakom sköldens fem lager, som är belagda i aluminium. Elektroniken inuti rymdfarkostbussen, som vetter mot solen, är härdade, skärmad, och jordad. Webb använde beprövad och sann designpraxis och satellitbyggnormer för att säkerställa att den kommer att överleva och fungera i den hårda L2-miljön.

    F:Webb var inte designad för att servas, men skulle det så småningom kunna repareras eller tankas under ett robotserviceuppdrag?

    Paul:Tänkbart, viss robotservice av Webb kan vara möjlig. En robot kunde gripa Webb på samma plats där den var fäst vid Ariane-raketen, som är utskjutningsgränssnittsringen på den solvända rymdfarkostbussen, och fyll sedan på bränsle till dess framdrivningstank. Med tanke på att Webb är ett utsökt känsligt infrarött observatorium, och mycket av det är vid kryogena temperaturer, möjligheter och fördelar med service är begränsade.

    Rymdteleskopet James Webb är världens främsta infraröda rymdobservatorium under det kommande decenniet. Ett hindersprängande uppdrag för ingenjörer och astronomer, Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, Europeiska rymdorganisationen (ESA), och Canadian Space Agency (CSA).


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com