Image Image Image Image Image Image Image Image Image Image

Новости астрономии и астрофизики — The Universe Times | 23.07.2017

Scroll to top

Top

Нет комментариев

Особенности главного зеркала телескопа Джеймс Уэбб

Особенности главного зеркала телескопа Джеймс Уэбб

| On 26, Мар 2014

Когда мы смотрим в зеркало перед выходом из дома, или примеряем одежду в торговом центре, опять глядя в зеркало, даже обращая внимание на зеркальные окна мы совершенно не задаемся вопросом об их особенностях, потому что сама конструкция бытового зеркала  довольно проста. Но это можно сказать только о бытовом понимании зеркал, в космической технике все обстоит довольно сложно. Когда мы говорим о зеркале в телескопе, это следует понимать как сложную конструкцию, состоящую из множества чувствительных элементов, а отражающая поверхность в этом случае является вообще чуть ли не самым простым его элементом.

Основные понятия о работе зеркала

В этой статье речь пойдет о строящемся космическом телескопе имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST). Основным его рабочим инструментом станет огромное зеркало, которое на самом деле состоит из главного, вторичного и третичного зеркал. И не смотря на то, что вторичное и третичное зеркала являются уникальными по своей сути, самым сложным по анатомии является главное зеркало. Эти зеркала были произведены компанией Ball Aerospace & Technologies, которая является субподрядчиком Northrop Grumman в плане разработки и исследования оптических приборов и облегченной конструкции зеркал. Помимо указанных трех зеркал здесь же было создано зеркало тонкой подстройки, которое необходимо для стабилизации дрожания оптических приборов во время съемки.

Проверка сегмента

Техники и ученые проверяют первый из двух сконструированных сегментов главного зеркала аппарата Джеймс Уэбб в чистовой камере. Источник: NASA/Chris Gunn

Как известно, разрешающая способность телескопов напрямую зависит от апертуры главного зеркала, чем она больше, тем больше света может уловить телескоп. Основное зеркало телескопа Джеймс Уэбб имеет диаметр 6.5 метров, и хотя это вполне обычная величина для наземных обсерваторий, для космоса такой диаметр абсолютно огромный. Такой диаметр апертуры обусловлен задачами, которые будет выполнять аппарат. 6.5-метровое главное зеркало поможет улавливать свет от самых далеких галактик и звезд, находящихся на краю видимой вселенной. Естественно, что невозможно запустить такую огромную конструкцию телескопа в космос. В связи с этим он состоит из 18 малых сегментов, которые в сложенном положении легко поместятся под головной обтекатель ракеты. Каждый из 18 сегментов главного зеркала имеет шестиугольную (гексагональную) форму и имеют описанный диаметр чуть больше чем 1.3 метра. Вес одного сегмента приблизительно составляет 40 килограммов. Все сегменты главного зеркала в настоящее время уже находятся в Центре космических полетов NASA.

Как говорилось раньше, зеркало в телескопе не просто конструкция из нашей ванной комнаты. Мы уже знаем, что главное зеркало сложное и состоит из 18 сегментов. Теперь стоит сказать, что каждый шестиугольный сегмент сам по себе является сложной конструкцией. В собранном состоянии на орбите он должен четко взаимодействовать с остальными компонентами главного зеркала, чтобы избежать рассогласования в приходящем сигнале.

«Сложность конструкции главного зеркала вытекает не из-за его большой апертуры, а из того, что оно разрабатывалось с целью быть легким и выполнять работу при криогенных температурах ниже -240 градусов Цельсия. К тому же, зеркало должно благополучно перенести стартовые нагрузки, а после развертывания на орбите с помощью системы точной подстройки каждого сегмента оно должно работать как монолитная конструкция (т.е. как будто оно состоит не из сегментов, а из целикового материала) и не терять точность юстировки в течение максимум двух недель», — Ли Фейнберг, инженер оптической системы телескопа Джеймс Уэбб.

Бериллиевое основание сегментов зеркала

Схема деления сегмента

Схема деления сегмента главного зеркала. Сверху вниз обозначены: крепление силового привода, управляющие приводы, их платформа, бериллиевые проставки, основание сегмента, крепление к монтажной конструкции. Источник: ASU/NASA

Основание главного зеркала, состоящее из бериллия, входит в состав гексагональных сегментов и само по себе действует как обычное зеркало в классическом его понимании. Основание имеет толщину примерно пять сантиметров и состоит из двух частей: передней, чрезвычайно гладкой и отполированной отражающей поверхности, и задней, которая представляет собой несущую конструкцию типа сотовых панелей. Задняя часть сильно напоминает вафельную конструкцию различных отсеков космических аппаратов, что обусловлено снижением веса всей системы без снижения ее прочностных свойств. Верхняя часть отполирована до средней шероховатости поверхности в 20 нанометров и покрыта тонким слоем золота. Это сделано с целью максимизации отражающей способности зеркала. Выбор бериллия в основании не случаен. Этот элемент чрезвычайно жесткий и легкий, и ведет себя вполне предсказуемо во время работы при абсолютном нуле.

Бериллиевые проставки

Нижняя сторона основания закреплена на трех проставках, которые так же сделаны из бериллия. Они имеют треугольную форму с размерами 30.5 сантиметров в ширину и 61 сантиметр в длину. Эти приспособления предназначены для равномерного распределения нагрузки, приходящей от основных структур и механизмов главного зеркала. Это сделано для того, чтобы минимизировать искажения в оптической системе. Бериллий здесь выбран опять же не случайно. Помимо прочности и легкости, бериллиевая конструкция умеет сохранять свою форму при сверх низких температурах.

Эти проставки опираются на специальное бериллиевое основание, которое является промежуточным звеном между конструкцией зеркального сегмента и юстирующими механизмами. Это основание имеет диаметр пример в 70 сантиметров и представляет собой по форме равносторонний треугольник или латинский знак «дельта». В связи с этим оно и получило название Delta Frame.

Управляющие приводы

Сегмент главного зеркала

Состав сегмента главного зеркала. На изображении сверху вниз показаны: управляющие приводы , крепление силового привода, гексапод — система управления за положением сегмента зеркала, вычислительное устройство — компонент, передающий сигналы на аппаратуру сегмента о необходимых корректировках его положения. Источник: Ball Aerospace

Управляющие приводы являются крошечными механизмами, составленными из прецизионных двигателей и редукторов, которые предназначены для точного позиционирования каждого из 18 сегментов на изучаемом объекте в космическом пространстве. Каждый из 18 сегментов главного зеркала обладает шестью приводами, которые позволяют ему перемещаться и вращаться так, чтобы все сегменты могли быть определенным образом выравнены друг относительно друга и действовать как одно гигантское зеркало. Кроме того, у каждого зеркального сегмента есть дополнительный специальный силовой привод, отцентрированный в геометрический центр задней части основания сегмента и присоединенный по краям к основанию с помощью специальной ферменной конструкции. С помощью такого силового привода каждый сегмент может искривляться и обладать собственным центром кривизны.

Все эти приводы обеспечивают феноменальную точность юстировки оптической системы телескопа Джеймса Уэбба и являются одним из многих изобретений, полученных во время разработки аппарата. Они позволяют вносить изменения в положение зеркала с точностью на уровне нанометров, что необходимо для достижения поставленных перед миссией задач. Для того, чтобы понять размерность нанометра его можно сравнить с толщиной листка бумаги, которая составляет 100000 нанометров.

После того как аппарат выведут на орбиту, он развернет главное зеркало, которое будет остывать до рабочих температур. После остывания инженеры с Земли пошлют управляющие команды на приводы, которые заставят их развернуть секции зеркала и создать как бы единую его конструкцию. Этот процесс займет примерно два месяца. После этого телескоп Джеймс Уэбб будет готов к работе, но юстировку секций придется проводить дополнительно каждые 10-14 дней. Благодаря разработанной технологии этот телескоп будет первой в мире космической обсерваторией с активно управляемым сегментированным главным зеркалом.

Монтажная конструкция

Монтажная конструкция предназначена для того, чтобы соединить главное зеркало с остальной частью телескопа. Она удерживает на себе все 18 сегментов главного зеркала. Материал, из которого выполнена конструкция довольно податлива и хорошо реагирует как на свое расширение так и на сокращение под действием различных температур. Особенно хорошие несущие свойства эта установка показывает во время резкого перехода от комнатной температуры до абсолютного нуля, например, во время старта ракеты и выведения телескопа в космическое пространство. В нее включены специальные пружины, которые подстраиваются под текущие условия окружающей среды.

Заключение

Цель всех этих инновационных разработок — дать возможность сложному телескопу работать без проблем согласно его миссии, поскольку телескоп Джеймс Уэбб будет главной астрономической обсерваторией в течение следующего десятилетия. Он попытается в подробностях изучить каждую эпоху существования нашей вселенной, начиная от первых вспышек на раннем этапе, пройдя через этап формирования первых звезд и закончивая развитием нашей Солнечной системы.

По информации NASA.

Метки

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Лицензия Creative Commons «The Universe Times» Google