Держать инфракрасный телескоп при очень низких рабочих температурах не вариант, а абсолютная необходимость. Чтобы космический телескоп Джеймса Уэбба увидел следы инфракрасного света, генерируемого звездами и галактиками на расстоянии миллиардов световых лет, он должен поддерживаться при криогенных температурах ниже 50 кельвинов (-370°F). В противном случае солнечный свет нагревал бы телескоп, и это тепло от самого телескопа заглушало бы очень слабые астрономические сигналы, эффективно ослепляя глаз телескопа. Задача огромного пятислойного солнцезащитного экрана - не допустить этого.
Служа блокировщиком радиации, солнцезащитный козырек подвергается почти 100 000 тепловых ватт солнечного тепла и уменьшает его до одной десятой ватта на холодной стороне, миллион к одному.
Но как проверить сложную конструкцию размером с теннисный корт? На планете нет достаточно большой криогенной камеры, и строить ее не имеет смысла ни с финансовой, ни с практической точки зрения. Поэтому инженеры Webb построили модель в масштабе 1/3 и испытательную установку для проведения критических тепловых испытаний системы солнцезащитного козырька.
Тепловой тест преследовал две основные цели: 1- проверить, что конструкция солнцезащитного козырька действительно может блокировать и перенаправлять солнечную энергию до того, как она достигнет телескопа; и 2- для проверки точности компьютерных тепловых моделей, используемых для прогнозирования работы полноразмерного солнцезащитного козырька. «Полетный солнцезащитный козырек будет развернут и визуально проверен перед полетом, но только компьютерное моделирование его тепловых характеристик будет использоваться, чтобы определить, готов ли он к запуску», - объясняет Кит Пэрриш, менеджер по солнцезащитному козырьку телескопа Уэбб в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. Гринбелт, Мэриленд.
«Это очень похоже на испытания больших самолетов в аэродинамической трубе», - отмечает он. «Большинство самолетов, особенно крупных коммерческих авиалайнеров, просто слишком велики, чтобы пройти полноразмерные испытания. Компьютерные модели, которые экстраполируют данные испытаний в аэродинамической трубе модели меньшего масштаба, используются для проверки окончательной конструкции и прогнозирования характеристик полноразмерного самолета. Наш тест модели солнцезащитного козырька Webb в масштабе 1/3 - очень похожий подход».
Имитация солнечного тепла
В космосе солнцезащитный козырек будет нагреваться от солнца. Для наземных испытаний модель в масштабе 1/3 была помещена в термовакуумную испытательную камеру на производственных мощностях ведущего подрядчика Northrop Grumman в Редондо-Бич, Калифорния. Солнечное тепло имитировалось пластинами электрического нагревателя, расположенными очень близко к слою, но не касаясь его. 1 - теплый солнечный слой. Мощность нагревателей неуклонно увеличивалась до тех пор, пока температура слоя 1 не достигла температуры, ожидаемой в полете, намного выше 100 градусов по Цельсию (212 ° F, точка кипения воды на уровне моря).
Измерение реакции солнцезащитного козырька
Приблизительно 400 датчиков температуры были размещены по всему солнцезащитному козырьку. «Мы также следим за температурой кожуха камеры, охлаждаемого газообразным гелием, и охлаждающих пластин с жидким гелием», - добавляет Пэрриш. «Эти охлаждающие пластины имитируют холодную фоновую температуру космоса на орбите Уэбба, которая составляет около 7 Кельвинов (-446,8 ° F). Мы не можем понизить эти пластины до 7 К, что довольно близко к абсолютным значениям. Ноль. Пластины обычно выдерживают температуру от 15 до 25 К (от -434,4 ° F до -414,4 ° F), поэтому точное знание их температуры имеет решающее значение для понимания характеристик солнцезащитного козырька».
Команда инженеров использовала тесты в масштабе 1/3 для пробного запуска устройства, называемого радиометром. Эти устройства, подвешенные или установленные вокруг солнцезащитного козырька, измеряют тепловое излучение, которое отражается вокруг солнцезащитного козырька, охлаждающих пластин и стенок камеры и между ними. Поскольку такого рода эффект не возникает в космосе, важно понять, как этот отскок тепла влияет на результаты испытаний. Когда летные приборы и обсерватория проходят испытания в Космическом центре Годдарда и Джонсона, эти устройства должны работать хорошо.
Эксперименты с крайностями
Для сбора данных о температуре использовались семь различных условий испытаний, и эти условия испытаний были адаптированы таким образом, чтобы инженеры могли изучить, как солнцезащитный козырек ведет себя в космосе в различных условиях. В некоторых условиях испытаний преувеличены или повышены температуры и тепловые потоки в определенных областях солнцезащитного козырька. Несмотря на то, что эти условия испытаний не имитируют условия полета, они предназначены для изоляции и лучшего определения конкретных переменных, используемых в компьютерном тепловом моделировании. «В одном из конкретных условий испытаний использовался механизм в камере для изменения или деформации формы солнцезащитного козырька», - объяснил Пэрриш. «Поскольку правильная форма имеет решающее значение для производительности солнцезащитного козырька, это условие испытаний дало инженерам важные данные, чтобы они могли увидеть, действительно ли компьютерные модели могут предсказать тепловое воздействие изменений формы."
Сопоставление моделей с тестовыми данными
После того, как данные о температуре были собраны, инженеры снова и снова запускали компьютерные модели с небольшими изменениями, чтобы имитировать реальные условия испытаний. Цель состоит в том, чтобы лучше сопоставить данные о температуре с датчиков на солнцезащитном козырьке с компьютерными моделями. «Это действительно важная часть всего процесса тестирования, - говорит Пэрриш. «Сбор тестовых данных был только началом. Понимание этих данных и того, как они применимы к прогнозируемым тепловым характеристикам летного солнцезащитного козырька, является важным шагом».
Чтобы понять, как форма мембраны влияет на тепловые характеристики, лазерное устройство обнаружения и определения дальности света (LIDAR) провело высокоточные измерения формы каждого из пяти слоев солнцезащитного козырька при комнатной температуре. Эти измерения были использованы для проверки предсказаний компьютерной модели каждой мембраны в условиях окружающей среды. Затем компьютерные модели использовались для прогнозирования формы мембраны в различных условиях испытаний.
В конце этой весны термокамера будет модифицирована окном, чтобы устройство LIDAR могло заглянуть в камеру и измерить форму слоя 5, самого холодного слоя, вблизи его криогенной рабочей температуры, примерно 77 K (-320,8°F). Этот тест позволит инженерам подтвердить правильность предсказания компьютерной модели формы при температуре.
Анализ и проверка
Тщательное планирование и соблюдение строгих процедур окупились - тест прошел очень успешно, потому что все цели тестирования были достигнуты, и инженеры смогли собрать необходимые им данные. Эти данные тщательно анализируются, чтобы убедиться, что температуры испытаний точно отражают тепловые характеристики солнцезащитного козырька. Анализ данных - это длительный процесс, который планируется завершить к концу марта 2010 года.
Тестирование в масштабе 1/3 имеет большое значение для проверки модели задолго до летных испытаний. В результате улучшается точность мастер-модели, что повышает уверенность в полете и снижает технический риск.
Тепловые испытания проводились в течение четырех недель, с 23 ноября по 19 декабря 2009 г., в крупнейшей термовакуумной камере Northrop Grumman на производственных объектах компании Aerospace Systems в Редондо-Бич, Калифорния.
Космический телескоп Джеймса Уэбба - это ведущая космическая обсерватория нового поколения, изучающая явления дальнего космоса, от далеких галактик до ближайших планет и звезд. Телескоп Уэбба расскажет ученым о формировании Вселенной и эволюции нашей Солнечной системы, от первого света после Большого взрыва до формирования звездных систем, способных поддерживать жизнь на таких планетах, как Земля.
Управление проектом Webb Telescope осуществляется в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Телескоп является совместным проектом НАСА, Европейского космического агентства и Канадского космического агентства, запуск которого ожидается в 2014 году.
Для получения информации о космическом телескопе Джеймса Уэбба НАСА посетите веб-сайт: