Проектирование и проверка оптики космического телескопа НАСА Нэнси Грейс Роман

Техник-оптик лежит на трамплине, подвешенном между главным и вторичным зеркалами космического телескопа НАСА Нэнси Грейс Роман. Фотография представляет собой проецируемое отражение через оптический путь телескопа. Техник направляет луч света через оптическую систему в сторону будущего местоположения широкоугольного инструмента, показывая, как свет от космических источников будет проходить через телескоп после запуска миссии. (Изображение:НАСА/Крис Ганн)

Когда он будет запущен не позднее мая 2027 года, космический телескоп Нэнси Грейс Роман Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) будет служить мощным глазом в глубоком космосе, захватывая изображения миллиардов далеких галактик и исследуя тайны темной материи, сверхновых и других космических явлений.

Основная цель римского космического телескопа Нэнси Грейс — быстро и многократно обследовать большие участки неба с высокой точностью, чтобы составить карту распределения нормальной (барионной) материи и темной материи, а также составить карту скорости космического расширения в различные эпохи для исследования темной энергии. Эта информация имеет решающее значение для нашего понимания происхождения Вселенной и помогает ученым понять, что произойдет в отдаленном будущем быстро расширяющегося космоса. Он также будет использовать масштабные исследования для изучения планетных систем вокруг других звезд, чтобы выяснить, являются ли солнечные системы, подобные нашей, обычными, редкими или, возможно, уникальными.

На этой фотографии изображена сборка оптического телескопа для космического телескопа НАСА Нэнси Грейс Роман, который недавно был доставлен в самую большую чистую комнату Центра космических полетов Годдарда агентства в Гринбелте, штат Мэриленд (Изображение:НАСА/Крис Ганн)

Важная веха программы была достигнута в ноябре 2024 года, когда компания L3Harris доставила НАСА полностью завершенную и протестированную сборку оптического телескопа (OTA). Это оборудование действует как «глаза» обсерватории, собирая и обрабатывая свет из космоса для использования двумя инструментами миссии.

L3Harris, как доверенному партнеру НАСА, получила задание спроектировать, изготовить, интегрировать и протестировать OTA. Сюда входит главное зеркало диаметром 2,4 метра (8 футов), а также девять других зеркал меньшего размера, прочные конструкции для выравнивания зеркал друг относительно друга и многочисленные системы поддержки, необходимые для работы телескопа в суровых условиях космоса.

С самого начала программы OTA разрабатывался для удовлетворения сложных и уникальных потребностей, поставленных НАСА и научным сообществом для этой миссии. Одним из основных направлений деятельности команды телескопа была разработка технологий, необходимых для создания системы, которая могла бы удовлетворить экстремальные потребности миссии в оптической стабильности. Это включало разработку нового запатентованного углеродного композитного материала с коэффициентом теплового расширения (КТР) ниже, чем достигнутый ранее — настолько низким, что потребовалось разработать новые методы для измерения его свойств. Из-за чрезвычайно низкого КТР кусок этого материала длиной с футбольное поле изменит длину только на 100 микрон (ширина человеческого волоса) при изменении его температуры на 100 градусов по Фаренгейту (55 градусов по Цельсию).

На этой фотографии показана вся оптическая система космического телескопа НАСА Нэнси Грейс Роман. Он состоит из 10 зеркал, включая главные зеркала длиной 7,9 фута (2,4 метра), видимые у основания на этом изображении, которые называются оптическим блоком формирования изображения (IOA). (Изображение:НАСА/Крис Ганн)

Даже при использовании таких стабильных материалов температура телескопа должна оставаться постоянной для достижения целей миссии. L3Harris разработал новую архитектуру измерения и управления температурой, способную поддерживать стабильность ключевых областей телескопа до нескольких тысячных градуса Цельсия, даже когда различные части обсерватории подвергаются палящему солнцу или сталкиваются с почти абсолютными нулевыми температурами космического пространства. Эта современная система термоконтроля гарантирует, что структуры и оптика внутри телескопа останутся сверхстабильными (изменения погрешности волнового фронта субнанометровые) и продолжат проводить точные научные измерения даже при различных экстремальных температурах.

OTA спроектирован таким образом, что как только он достигнет конечного пункта назначения в миллионе миль от Земли, он будет иметь оптимальные оптические характеристики. Это означает, что конструкция должна была учитывать даже малейшие эффекты гравитации на Земле и охлаждение телескопа до рабочих температур. Инженеры L3Harris провели обширное моделирование, чтобы предсказать изменения, которые произойдут в телескопе при переходе от земной гравитации при комнатной температуре к холодной среде невесомости в космосе. Эти ожидаемые изменения учитываются при проектировании, изготовлении и настройке оптики телескопа. Кроме того, можно переместить несколько ключевых оптических элементов, чтобы внести поправки в любые неизвестные в прогнозах.

Компьютерная визуализация завершенного римского космического телескопа Нэнси Грейс, названного в честь первого директора НАСА по астрономии и гелиофизике. (Изображение:НАСА)

ОТА вступила в критическую фазу в начале 2024 года, когда была выполнена окончательная оптическая юстировка различных зеркал. Для этого необходимо было выровнять и расположить 10 оптических элементов относительно друг друга с микроскопической точностью, а затем навсегда зафиксировать их на месте. Ошибки смещения размером всего в одну десятую ширины человеческого волоса могут ухудшить качество изображения телескопа. Чтобы добиться такой исключительной точности выравнивания, использовалась специальная система камер, называемая интерферометром, для наблюдения за зеркалами с точностью нанометра и обеспечения обратной связи во время этого важного процесса выравнивания.

После окончательной настройки телескоп прошел строгие динамические испытания, охватывающие экстремальные условия, в которых он будет находиться при запуске в космос на вершине ракеты. Это включало воздействие на телескоп акустического шума более высокого уровня, чем тот, который можно ощутить, стоя рядом с реактивным двигателем, а также силы ускорения, в несколько раз превышающие те, которые испытывает пилот истребителя во время маневров с высокой перегрузкой.

Последним испытанием, которое должен был пройти OTA, было термовакуумное испытание, в ходе которого оценивалась производительность системы в условиях, имитирующих суровые условия, в которых OTA будет находиться в космосе. Это испытание проходило в большой вакуумной камере на предприятии L3Harris в Рочестере, штат Нью-Йорк. Внутренние стенки вакуумной камеры охлаждались жидким азотом, чтобы обеспечить очень холодную среду, а телескоп охлаждался до температуры -120 градусов по Фаренгейту (-85 градусов по Цельсию). OTA продемонстрировал свою способность поддерживать желаемую температуру, обеспечивая при этом превосходные оптические характеристики, отвечающие всем требованиям с запасом. После успешного завершения этого испытания OTA был доставлен в Центр космических полетов имени Годдарда НАСА для интеграции с научными приборами и космическим кораблем.

Когда римский космический телескоп будет запущен, он присоединится к космическому телескопу НАСА имени Джеймса Уэбба, вращающемуся вокруг точки Лагранжа L2 — на расстоянии 1,5 миллиона километров (1 миллион миль) прямо «за» Землей, если смотреть со стороны Солнца. Роман был спроектирован для работы совместно с телескопом Уэбба для выполнения дополнительных научных наблюдений, которые обеспечат более глубокое понимание космологических явлений, чем любая миссия могла бы выполнить по отдельности. Римский космический телескоп сможет снимать большие участки неба с таким же разрешением, что и космический телескоп Хаббл, однако будет делать это в 1000 раз быстрее, чем Хаббл. Это позволяет проводить исследования больших участков неба с предельной точностью и определять цели, представляющие интерес для космического телескопа Уэбба.

«Роман» также станет самым стабильным большим космическим телескопом из когда-либо созданных, по крайней мере в 10 раз более стабильным, чем «Уэбб», и в 100 раз более стабильным, чем «Хаббл». Эта оптическая стабильность является важнейшей особенностью системы, которая позволит ученым проверять фундаментальные теории космологии способами, которые ранее были невозможны. А когда сверхстабильный телескоп объединен с коронографом, он демонстрирует ключевые возможности на пути к следующей флагманской астрофизической миссии НАСА — Обсерватории обитаемых миров — и ее цели — поиску планет, на которых может поддерживаться жизнь.

Поставка римского космического телескопа OTA является последней вехой в долгосрочном партнерстве L3Harris с НАСА. Уже более 60 лет L3Harris предоставляет передовые системы визуализации и другие решения, способствующие исследованию Вселенной. От телескопов «Хаббл», «Чандра» и «Джеймс Уэбб» до Международной космической станции и марсохода — L3Harris сопровождал НАСА на каждом этапе пути, расширяя границы человеческих открытий.

Эту статью написал Питер Миллер, главный системный инженер, L3Harris Technologies (Рочестер, Нью-Йорк). Для получения дополнительной информации посетите здесь  .