Инженерия и валидация оптики космического телескопа Нэнси Грейс Роман NASA

Оптический техник находится на трамплине, закрепленном между основным и второстепенным зеркалами космического телескопа Нэнси Грейс Роман NASA. Фотография показывает спроецированное отражение через оптический путь телескопа. Техник направляет луч света через оптическую систему к будущему месту установки широкопольного прибора, демонстрируя, как свет от космических объектов будет проходить через телескоп после запуска миссии. (Изображение: NASA/Chris Gunn)

Миссия и цели телескопа

Запуск не позднее мая 2027 года Национальное управление авиации и космонавтики (NASA) космический телескоп Нэнси Грейс Роман станет мощным глазом, наблюдающим глубокий космос. Он будет захватывать изображения миллиардов далеких галактик и исследовать тайны темной материи, сверхновых и других космических явлений.

Основная цель телескопа — быстрое и многократное обследование больших участков неба с высокой точностью для картографирования распределения обычной (барионной) и темной материи, а также измерения скорости космического расширения в разные эпохи с целью изучения темной энергии. Эта информация критически важна для понимания происхождения Вселенной и прогнозирования будущего быстро расширяющегося космоса. Кроме того, телескоп будет использовать крупномасштабные обзоры для изучения планетных систем вокруг других звезд, чтобы выяснить, являются ли солнечные системы вроде нашей распространенными, редкими или уникальными.

Поставка оптической телескопической сборки (OTA)

На этом фото показана оптическая телескопическая сборка (OTA) для космического телескопа Нэнси Грейс Роман NASA, недавно доставленная в крупнейшую чистую комнату агентства на Goddard Space Flight Center в Гринбельте, штат Мэриленд. (Изображение: NASA/Chris Gunn)

Важная веха программы достигнута в ноябре 2024 года: полностью собранная и протестированная OTA передана из L3Harris в NASA. Этот аппаратный комплекс выступает «глазами» обсерватории, собирая и обуславливая свет от космоса для двух научных приборов миссии.

Как надежный партнер NASA, L3Harris была 맡ена проектированием, изготовлением, интеграцией и тестированием OTA. В ее состав входит основное зеркало диаметром 2,4 метра (8 футов), а также девять других меньших зеркал, надежные конструкции для их взаимной выкладки и многочисленные системы обеспечения работы телескопа в суровых условиях космоса.

Инновации в материалах и термостабильности

С начала программы OTA разрабатывалась для удовлетворения сложных и уникальных требований NASA и научного сообщества. Одним из приоритетов было создание технологий, обеспечивающих экстремальную оптическую стабильность. Была разработана новая проприетарная углеродно-композитная материал с коэффициентами термического расширения (КТР) ниже ранее достижимых значений — настолько низкими, что потребовались новые методы измерения их свойств. Благодаря ультранизкому КТР, элемент из этого материала длиной в футбольное поле изменит свою длину всего на 100 микрон (толщина человеческого волоса) при изменении температуры на 100 °F (55 °C).

На этом фото показана вся оптическая система телескопа. Она состоит из 10 зеркал, включая основное зеркало диаметром 2,4 метра (7,9 фута), видимое в основании на изображении, которое называется сборочно-оптической сборкой (IOA). (Изображение: NASA/Chris Gunn)

Даже с такими стабильными материалами температура телескопа должна оставаться постоянной для выполнения задач миссии. L3Harris разработала новую архитектуру термодатчиков и управления, способную удерживать ключевые зоны телескопа стабильными с точностью до нескольких тысячных доли градуса Цельсия, даже когда разные части обсерватории подвергаются облучению солнцем или смотрят в сторону абсолютного нуля космоса. Эта передовая система термостабилизации гарантирует, что конструкции и оптика внутри телескопа останутся ультрастабильными (изменения волнового фронта в субнанометровом диапазоне) и будут обеспечивать точные научные измерения даже при экстремальных тепловых нагрузках.

Проектирование с учетом гравитации и охлаждения

OTA спроектирована так, чтобы после достижения рабочей орбиты в миллионе миль от Земли она обладала оптимальной оптической производительностью. Это означало, что проект должен был учитывать даже крошечные эффекты земной гравитации и охлаждения телескопа до рабочих температур. Инженеры L3Harris провели обширные симуляции для предсказания изменений в телескопе при переходе от земной гравитации при комнатной температуре к холодной невесомости в космосе. Эти предсказанные изменения учитывались при проектировании, изготовлении и выкладке оптики. Кроме того, несколько ключевых оптических элементов могут перемещаться для коррекции любых неопределенностей в прогнозах.

Компьютерная визуализация готового телескопа Нэнси Грейс Роман, названного в честь первого директора NASA по астрономии и гелиофизике. (Изображение: NASA)

Финальная оптическая выкладка и тестирование

В начале 2024 года OTA вошла в критическую фазу: выполнена финальная оптическая выкладка всех зеркал. Потребовалось выровнять и зафиксировать 10 оптических элементов с микронной точностью, а затем жестко зафиксировать их. Ошибки выкладки даже в десятую долю толщины человеческого волоса деградировали бы изображение. Для достижения такой точности использовалась специальная камера-интерферометр, отслеживающая зеркала с нанометровой точностью и обеспечивающая обратную связь в процессе выкладки.

После финальной выкладки телескоп прошел строгие динамические испытания, имитирующие экстремальные условия запуска на вершине ракеты-носителя. Это включало акустические нагрузки, превышающие шум реактивного двигателя, и перегрузки в несколько раз выше, чем у пилота истребителя при маневрах высоких G.

Финальный тест — термовакуумное испытание, где производительность системы оценивалась в условиях, моделирующих суровую среду космоса. Тест проводился в большой вакуумной камере на объекте L3Harris в Ростере, штат Нью-Йорк. Внутренние стенки камеры охлаждались жидким азотом, а телескоп охлаждался до −120 °F (−85 °C). OTA продемонстрировала способность поддерживать заданные температуры и выдавать безупречную оптическую производительность, выполняя все требования с запасом. После успешного завершения теста OTA доставлена в Goddard Space Flight Center для интеграции с научными приборами и космическим аппаратом.

Взаимодействие с телескопом Джеймса Уэбба

При запуске телескоп Роман присоединится к телескопу Джеймса Уэбба на орбите вокруг точки Лагранжа L2 — в 1,5 млн км (1 млн миль) прямо «за» Землей от Солнца. Роман спроектирован для работы в связке с Уэббом, выполняя дополнительные научные наблюдения, которые дадут более глубокое понимание космологических явлений, чем любая миссия в одиночку. Телескоп Роман сможет снимать большие участки неба с разрешением, сравнимым с Хабблом, но в 1000 раз быстрее. Это позволяет проводить обзоры с экстремальной точностью для выявления целей для Уэбба.

Роман также станет самым стабильным крупным космическим телескопом когда-либо построенным: по крайней мере в 10 раз стабильнее Уэбба и в 100 раз стабильнее Хаббла. Эта оптическая стабильность — критически важная особенность, позволяющая ученым проверять фундаментальные космологические теории способами, ранее недоступными. В сочетании с коронаграфом ультрастабильный телескоп демонстрирует ключевые возможности на пути к следующей флагманской миссии NASA — Обсерватории обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory) и ее цели находить планеты, способные поддерживать жизнь.

Долгосрочное партнерство L3Harris и NASA

Поставка OTA телескопа Роман — последняя веха в многолетнем партнерстве L3Harris с NASA. Более 60 лет L3Harris предоставляет передовые образовые системы и решения, продвигающие исследование Вселенной. От Хаббла, Чандры и Джеймса Уэбба до МКС и марсоходов — L3Harris сопровождает NASA на каждом шаге, расширяя границы человеческого познания.

Статья написана Питером Миллером, главным системным инженером L3Harris Technologies (Рочестер, штат Нью-Йорк). Для дополнительной информации посетите здесь.