WikiPortallus: Хаббл (телескоп).html

Первое упоминание концепции орбитального телескопа встречается в книге Германа Оберта «Ракета в межпланетном пространстве» (нем. «Die Rakete zu den Planetenraumen»).

В 1946 году, американский астрофизик Лаймэн Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории» (англ. Astronomical advantages of an extra-terrestrial observatory). В статье отмечены два главных преимущества такого телескопа: Во-первых его угловое разрешение будет ограничено лишь дифракцией, a не турбулентными потоками в атмосфере, в то время разрешение наземных телескопов было от 0,5 до 1,0 угловой секунды, тогда как теоретический предел разрешения по дифракции для телескопа с зеркалом 2,5 метра составляет около 0,1 секунды. Во-вторых космический телескоп мог бы вести наблюдение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, в которых поглощение излучений земной атмосферой весьма значительно.^[1]

Спитцер посвятил значительную часть своей научной карьеры продвижению проекта. В 1962 году доклад опубликованный Национальной академией наук США рекомендовал включить разработку орбитального телескопа в космическую программу и в 1965 году Спитцер был назначен главой комитета, в задачу которого входило определение научных задач для крупного космического телескопа.

Миссии OAO послужили наглядной демонстрацией роли, которую могут играть орбитальные телескопы, и в 1968 году НАСА утвердило план строительства телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 3 м. Проект получил условное название LST (англ. Large Space Telescope). Запуск планировался на 1972 год. Программа подчёркивала необходимость регулярных пилотируемых экспедиций для обслуживания телескопа с целью обеспечения продолжительной работы дорогостоящего прибора. Параллельно развивавшаяся программа Спэйс Шаттл давала надежды на получение соответствующих возможностей.^[2]

править Борьба за финансирование проекта

Благодаря успеху программы ОАО в астрономическом сообществе сложился консенсус о том, что строительство крупного орбитального телескопа должно стать приоритетной задачей. В 1970 году NASA учредило два комитета, один для изучения и планирования технических аспектов, задачей второго была разработка программы научных исследований. Следующим серьёзным препятствием было финансирование проекта, затраты на который должны были превзойти стоимость любого наземного телескопа. Конгресс США поставил под сомнение многие статьи предложенной сметы и существенно урезал ассигнования, первоначально предполагавшие масштабные исследования инструментов и конструкции обсерватории. В 1974 году, в рамках программы сокращений расходов бюджета инициированной президентом Фордом Конгресс полностью отменил финансирование проекта.

В ответ на это астрономами была развёрнута широкая кампания по лоббированию. Многие учёные лично встретились с сенаторами и конгрессменами, были также проведены несколько крупных рассылок писем в поддержку проекта. Национальная Академия Наук опубликовала доклад, в котором подчёркивалась важность создания большого орбитального телескопа и в результате сенат согласился выделить половину средств из бюджета первоначально утверждённого Конгрессом.

Финансовые проблемы привели к сокращениям, главным из которых было решение уменьшить диаметр зеркала с 3 до 2,4 метра, для снижения затрат и получения более компактной конструкции. Также был отменён проект телескопа с полутораметровым зеркалом, который предполагалось запустить с целью тестирования и отработки систем, и принято решение о кооперации с Европейским космическим агентством. ЕКА согласилось участвовать в финансировании, а также предоставить ряд инструментов и солнечные батареи для обсерватории, взамен за европейскими астрономами резервировалось не менее 15 % времени наблюдений. В 1978 году Конгресс утвердил финансирование в размере 36 миллионов долларов и сразу после этого начались полномасштабные работы по проектированию, дата запуска планировалась на 1983 год. В начале 1980-х телескоп получил имя Эдвина Хаббла.

править Организация проектирования и строительства

Работа над созданием космического телескопа была поделена между многими компаниями и учреждениями. Космический центр Маршалла отвечал за разработку, проектирование и строительство телескопа, Центр космических полётов Годдарда занимался общим руководством разработкой научных приборов и был выбран в качестве наземного центра управления. Центр Маршалла заключил контракт с компанией Перкин-Элмер на проектирование и изготовление оптической системы телескопа (англ. Optical Telescope Assembly (OTA)) и датчиков точного наведения. Корпорация Локхид получила контракт на строительство космического аппарата для телескопа.^[3]

править Изготовление оптической системы

Полировка главного зеркала телескопа, лаборатория компании Перкин-Элмер, май 1979

Зеркало и оптическая система в целом были наиболее важными частями конструкции телескопа, и к ним предъявлялись особо жёсткие требования. Обычно зеркала телескопов изготавливаются с допуском примерно в одну десятую длины волны видимого света, но поскольку космический телескоп предназначался для наблюдений в диапазоне от ультрафиолетового до почти инфракрасного, а разрешающая способность должна была быть в десять раз выше, чем у наземных приборов, допуск для изготовления его главного зеркала был установлен в 1/20 длины волны видимого света, или примерно 30 нанометров.

Компания «Перкин-Элмер» намеревалась использовать новые станки с числовым программным управлением для изготовления зеркала заданной формы. Компания «Кодак» получила контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, на случай непредвиденных проблем с неапробированными технологиями (зеркало, изготовленное компанией «Кодак» в настоящее время находится в экспозиции музея Смитсоновского института^[4]). Работы над основным зеркалом начались в 1979 году, для изготовления использовалось стекло со сверхнизким коэффициентом расширения. Для уменьшения веса зеркало состояло из двух поверхностей — нижней и верхней, соединённых решётчатой конструкцией сотовой структуры.

Резервное зеркало телескопа, Смитсоновский музей авиации и космонавтики, Вашингтон

Работы по полировке зеркала продолжались до мая 1981 года, при этом были сорваны первоначальные сроки и значительно превышен бюджет. В отчётах НАСА того периода выражаются сомнения в компетентности руководства компании «Перкин-Элмер» и её способности успешно завершить проект такой важности и сложности. В целях экономии средств НАСА отменило заказ на резервное зеркало и перенесло дату запуска на октябрь 1984 года. Окончательно работы завершились к концу 1981 года после нанесения отражающего покрытия из алюминия толщиной 75 нм и защитного покрытия из фторида магния толщиной в 25 нм.

Несмотря на это, сомнения в компетентности «Перкин-Элмер» оставались, поскольку сроки окончания работ над остальными компонентами оптической системы постоянно отодвигались, а бюджет проекта рос. Графики работ, предоставляемые компанией, НАСА охарактеризовало как «неопределённые и изменяющиеся ежедневно», и отложило запуск телескопа до апреля 1985 года. Тем не менее, сроки продолжали срываться, задержка росла в среднем на один месяц каждый квартал, а на завершающем этапе росла на один день ежедневно. НАСА было вынуждено ещё дважды перенести старт, сначала на март, а затем на сентябрь 1986 года. К тому времени общий бюджет проекта вырос до 1,175 млрд долларов США.^[3]

править Космический аппарат

Начальные этапы работ над космическим аппаратом, 1980.

Другой сложной инженерной проблемой было создание космического корабля для телескопа и остальных приборов. Основными требованиями были защита оборудования от постоянных перепадов температур при нагреве от прямого солнечного освещения и охлаждения в тени Земли и особо точное ориентирование телескопа. Телескоп смонтирован внутри лёгкой алюминиевой капсулы, которая покрыта многослойной термоизоляцией обеспечивающей стабильную температуру. Жёсткость капсулы и крепление приборов обеспечивает внутренняя пространственная рама из углеродного волокна.

Хотя работы по созданию космического аппарата проходили более успешно, чем изготовление оптической системы, Локхид также допустила некоторое отставание от графика и превышение бюджета. К маю 1985 года перерасход средств составил около 30 % от первоначального объёма, а отставание от плана — 3 месяца. В докладе подготовленным Космическим центром Маршалла отмечалось, что при проведении работ компания не проявляет инициативу, предпочитая полагаться на указания НАСА.^[3]

править Координация исследований и управление полётом

Управление полётом было возложено на Центр космических полётов Годдарда (англ.), который находится в городе Гринбелт, Мэриленд в 48 километрах от Научного института космического телескопа. За функционированием телескопа ведётся круглосуточное посменное наблюдение четырьмя группами специалистов.

Техническое сопровождение осуществляется НАСА и компаниями-контакторами через Центр Годдарда.

править Запуск и начало работы

Старт шаттла «Дискавери» с телескопом «Хаббл» на борту

Вынужденная задержка позволила произвести ряд усовершенствований: солнечные батареи были заменены на более эффективные, был модернизирован бортовой вычислительный комплекс и системы связи, а также изменена конструкция кормового защитного кожуха, с целью облегчить обслуживание телескопа на орбите.^[5]

Всё это время части телескопа хранились в помещениях с искусственно очищенной атмосферой, что ещё больше увеличило расходы на проект.

После возобновления полётов шаттлов в 1988 году запуск был окончательно назначен на 1990 год. Перед запуском накопившаяся на зеркале пыль была удалена при помощи сжатого азота, а все системы прошли тщательное тестирование.

От начала проектирования до запуска было затрачено 2,5 млрд. долларов США, при начальном бюджете в 400 млн. Общие расходы на проект, по оценке на 1999 год составили 6 млрд долларов с американской стороны и 593 миллиона евро оплаченных ЕКА.^[6]

править Приборы установленные на момент запуска

На момент запуска, на борту были установлены пять научных приборов:

Датчики точного наведения (англ.) (англ. Fine Guidance Sensors), так же могут использоваться в научных целях, обеспечивая астрометрию с миллисекундной точностью. Это позволяет находить параллакс и собственное движение объектов с точностью до 0,2 угловой миллисекунды и наблюдать орбиты двойных звёзд с угловым диаметром до 12 миллисекунд.^[8]

править Дефект главного зеркала

Уже в первые недели после начала работы, полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе телескопа. Хотя качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости, и разрешение снимков было значительно хуже ожидаемого. Изображения точечных источников имели радиус свыше одной телесной секунды, вместо фокусировки в окружность 0,1 секунды в диаметре, согласно спецификации.^[9]^[10]

Анализ изображений показал, что источником проблемы является неверная форма главного зеркала. Несмотря на то, что это было, возможно, наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило лишь 2 микрометрa, но результат оказался катастрофическим — сильная сферическая аберрация, оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала.

Влияние дефекта на астрономические исследования зависело от конкретного типа наблюдений — характеристики рассеяния были достаточны для получения уникальных наблюдений ярких объектов с высокой разрешающей способностью, и спектроскопия также практически не пострадала. Тем не менее, потеря значительной части светового потока из-за расфокусировки значительно уменьшили пригодность телескопа для наблюдений тусклых объектов и получения изображений с высокой контрастностью. Это означало, что практически все космологические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений особо тусклых объектов.

править Причины дефекта

Анализируя изображения точечных источников света, астрономы установили, что коническая постоянная зеркала составляет −1,0139, вместо требуемой −1,00229. То же число было получено путём проверки нуль-корректоров (приборы, позволяющие измерять с высокой точностью кривизну полируемой поверхности) использованных компанией «Перкин-Элмер», а также из анализа интерферограмм, полученных в процессе наземного тестирования зеркала.

Комиссия, возглавляемая Лю Алленом (англ.), директором Лаборатории реактивного движения установила, что дефект возник в результате ошибки при монтаже главного нуль-корректора, полевая линза которого была сдвинута на 1,3 мм относительно правильного положения. Сдвиг произошёл по вине техника, осуществлявшего сборку прибора. Он ошибся при работе с лазерным измерителем, применявшимся для точного размещения оптических элементов прибора, а когда после окончания монтажа заметил непредвиденный зазор между линзой и поддерживающей её конструкцией, то просто вставил обычную металлическую шайбу.^[11]

В процессе полировки зеркала его поверхность проверялась при помощи двух других нуль-корректоров, каждый из которых правильно указывал на наличие сферической аберрации. Эти проверки были специально предусмотрены для исключения серьёзных оптических дефектов. Несмотря на чёткие инструкции по контролю качества, компания проигнорировала результаты измерений, предпочитая верить, что два нуль-корректора менее точны, чем главный, показания которого свидетельствовали об идеальной форме зеркала.

Комиссия возложила вину за произошедшее в первую очередь на исполнителя. Отношения между оптической компанией и НАСА серьёзно ухудшились в процессе работы над телескопом из-за постоянного срыва графика работ и перерасхода средств. НАСА установило, что компания не относилась к работам над зеркалом как к основной части своего бизнеса, и пребывала в уверенности, что заказ не может быть передан другому подрядчику после начала работ. Хотя комиссия подвергла компанию суровой критике, часть ответственности лежала также на НАСА, в первую очередь за неспособность обнаружить серьёзные проблемы с контролем качества и нарушение процедур со стороны исполнителя.^[12]

править Поиски решения

Поскольку конструкция телескопа изначально предусматривала обслуживание на орбите, учёные немедленно начали поиск потенциального решения, которое можно было бы применить во время первой технической миссии, запланированной на 1993 год. Хотя Кодак закончил изготовление запасного зеркала для телескопа, замена его в космосе не представлялась возможной, а снимать с орбиты телескоп для замены зеркала на Земле было бы слишком долго и дорого. Тот факт, что зеркало с высокой точностью было отполировано до неправильной формы, привело к идее разработать новый оптический компонент, который бы выполнял преобразование, эквивалентное ошибке, но с обратным знаком. Новое устройство работало бы подобно очкам для телескопа, корректируя сферическую аберрацию.

Из-за разницы в конструкции приборов требовалось разработать два различных корректирующих устройства. Одно предназначалось для Широкоформатной и Планетарной камеры, которая имела специальные зеркала, перенаправлявшие свет на её сенсоры, и коррекция могла осуществляться за счёт использования зеркал специальной формы, которые бы полностью компенсировали аберрацию. Соответствующее изменение было предусмотрено в конструкции новой Планетарной камеры. Прочие приборы не имели промежуточных отражающих поверхностей, и таким образом нуждались во внешнем корректирующем устройстве.

править Система оптической коррекции (COSTAR)

Корректировка аберрации телескопа. Снимок галактики М100 до и после установки COSTAR.

Система, предназначенная для корректировки сферической аберрации получила название COSTAR (англ.) и состояла из двух зеркал, одно из которых компенсировало дефект.^[13] Для установки COSTAR на телескоп, было необходимо демонтировать один из приборов, и учёные приняли решение пожертвовать высокоскоростным фотометром.

В течение первых трёх лет работы, до установки корректирующих устройств телескоп выполнил большое количество наблюдений. В частности дефект не оказывал большого влияния на спектроскопические замеры. Несмотря на отменённые из-за дефекта эксперименты было достигнуто множество важных научных результатов, в том числе новые алгоритмы улучшения качества изображений с помощью деконволюции.

править Техническое обслуживание телескопа

Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа «Хаббл»:

править Первая экспедиция

Работы на телескопе во время первой экспедиции.

В связи с выявившимся дефектом зеркала значение первой экспедиции по обслуживанию было особенно велико, поскольку она должна была установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2-13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю, в её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос.

Высокоскоростной фотометр был заменён на систему оптической коррекции, широкоугольная и планетарная камера была заменена на новую модель (WFPC2 (англ.)) с системой внутренней коррекции.

Кроме этого, были заменены солнечные батареи и системы управления приводами батарей, четыре гироскопа системы наведения, два магнетометра, и обновлён бортовой вычислительный комплекс. Также была произведена коррекция орбиты, необходимая из-за потери высоты вследствие трения о воздух при движении в верхних слоях атмосферы.

31 января 1994 года, НАСА oбъявило об успехе миссии, и продемонстрировало первые снимки значительно лучшего качества.^[14] Успешное завершение экспедиции было крупным достижением, как для НАСА, так и для астрономов, которые получили в своё распоряжение полноценный инструмент.

править Вторая экспедиция

править Третья экспедиция (А)

Экспедиция 3А («Дискавери» STS-103) состоялась 19-27 декабря 1999 года, после того, как было принято решение о досрочном проведении части работ по программе третьего сервисного обслуживания. Это было вызвано тем, что три из шести гироскопов системы наведения вышли из строя. Четвёртый гироскоп отказал за несколько недель до полёта, сделав телескоп непригодным для наблюдений. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер. Новый компьютер использовал процессор Intel 80486 в специальном исполнении — с повышенной устойчивостью к радиации. Это позволило производить часть вычислений, выполнявшихся ранее на земле, при помощи бортового комплекса.

править Третья экспедиция (B)

«Хаббл» в грузовом отсеке шаттла перед возвращением на орбиту, на фоне восходящей Земли. Экспедиция STS-109.

Экспедиция 3В (четвёртая миссия) выполнена 1-12 марта 2002 года, полёт «Колумбия» STS-109. В ходе экспедиции Камера съёмки тусклых объектов была заменена на Усовершенствованную обзорную камеру (англ.) (англ. Advanced Camera for Surveys, ACS) и восстановлено функционирование Камеры и спектрометра около-инфракрасного диапазона, в системе охлаждения которого в 1999 году закончился жидкий азот.^[15]

Были во второй раз заменены солнечные батареи. Новые панели были на треть меньше по площади, что значительно уменьшило потери на трение в атмосфере, но при этом вырабатывали на 30 % больше энергии, благодаря чему стала возможна одновременная работа со всеми приборами, установленными на борту обсерватории. Также был заменён узел распределения энергии, что потребовало полного выключения электропитания на борту — впервые с момента запуска.

Произведённые работы существенно расширили возможности телескопа. Два прибора, введённые в строй в ходе работ — ACS и NICMOS, позволили получить изображения глубокого космоса.

править Четвёртая экспедиция

В настоящее время планирутся произвести ещё одну экспедиция по обслуживанию телескопа Хаббл — «Атлантис» STS-125. Изначально она была запланированна на 14 октября 2008 года, однако после выход из строя бортового модуля обработки и передачи информации (SIC&DH) НАСА объявило, что миссия будет отложена до февраля 2009 года.^[16] После этой миссии, телескоп Хаббл должен будет продолжать свою работу на орбите, по крайней мере, до 2014 года^[17].

Миссия STS-125 считается самой сложной и опасной из всех оставшихся для космических шаттлов. Все остальные миссии связаны с Международной космической станцией, поэтому, в случае повреждения шаттла, астронавты могут остаться на МКС и ожидать прибытия спасательного корабля.

править Достижения

Столпы творения — один из самых известных снимков, полученных телескопом. Рождение новых звёзд в Туманности Орёл

За 15 лет работы на околоземной орбите, «Хаббл» получил 700 тыс. изображений 22 тыс. небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежедневно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 15 Гб. Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, превышает 20 терабайт. Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что, в среднем, индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных телескопа, в два раза выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно, в списке 200 наиболее цитируемых статей, не менее 10 % занимают работы, выполненные на основе материалов «Хаббла». Нулевой индекс цитирования имеют около 30 % работ по астрономии в целом, и только 2 % работ, выполненных с помощью космического телескопа.^[18]

Тем не менее, цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла», весьма высока: специальное исследование, посвящённое изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что, хотя работы, выполненные при помощи орбитального телескопа, имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-метровым зеркалом, стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз.^[19]

Хаббл (телескоп).html

Содержание

править История

править Предыстория, концепции, ранние проекты