Широкоугольная и планетарная камера 2 (, WFPC2, WFPC-2, WF/PC2, WF/PC-2) — один из основных инструментов, эксплуатировавшийся на космическом телескопе «Хаббл» с 1993 по 2009 год. Камера была изготовлена «Лабораторией реактивного движения» (США). В 1993 году в ходе первой миссии обслуживания STS-61 камера была установлена вместо «Широкоугольной и планетарной камеры» (WFPC, WFPC-1, WFPC1, WF/PC1, WF/PC-1). За время эксплуатации на борту космического телескопа «Хаббл» с помощью «Широкоугольной и планетарной камеры 2» было сделано большое количество изображений объектов, ранее недоступных для исследователей. Среди таких изображений Hubble Deep Field (1995 год), туманность Песочные часы (1996 год), туманность Яйцо (1996 год), Hubble Deep Field South (1998 год) и другие. Самой известной фотографией, сделанной с помощью «Широкоугольной и планетарной камеры 2» является «Столпы творения» (1995 год). В 2009 году во время экспедиции обслуживания STS-125 «Широкоугольная и планетарная камера 2» была заменена на «Широкоугольную камеру 3». WFPC-2 была доставлена на Землю и в конце концов заняла место среди экспонатов Национального музея воздухоплавания и астронавтики Смитсоновского института в Вашингтоне, США.
За 15 лет эксплуатации с помощью «Широкоугольной и планетарной камеры 2» было сделано более наблюдений. На основе данных, полученных WFPC-2 к концу эксплуатации камеры было написано более 3500 научных статей, а в следующем десятилетии ещё более 2000.
Стоимость разработки и изготовления камеры составила 101 млн долларов США.
Научные цели камеры Основной научной задачей WFPC-2 было предоставление фотометрически и геометрически точных изображений астрономических объектов в относительно широком поле зрения с высоким угловым разрешением в широком диапазоне длин волн. WFPC-2 соответствовал или превосходил фотометрические характеристики WFPC в большинстве задач. Номинально требование составляло 1 % фотометрической точности для всех фильтров, что требовало, чтобы относительный отклик во всех 800x800 пикселей на ПЗС был известен с точностью 1 % для изображений с плоским полем, полученных через каждый из 48 научных фильтров. Успех прибора зависел от стабильности всех элементов оптического тракта, особенно ПЗС-матриц, фильтров и калибровочного канала. Возможности WFPC-2 позволяли проникать глубже, чем наземные снимки и различать структуры меньшего масштаба с более высокой надёжностью и и более широким динамическим диапазоном.
Техническое описание Широкоугольная и планетарная камера 2 представляла собой призму размером 2,2×0,8×2,0 м и массой 281 кг, монтируемую в фокальной плоскости основного зеркала телескопа «Хаббл». Поле зрения камеры составляло 2,7′. Диапазон длин волн от 120 до 1000 нм.
Поле зрения WFPC-2 было разделено и распределено по четырём камерам с помощью фиксированного четырёхгранного пирамидального зеркала вблизи фокальной плоскости телескопа «Хаббл». Три из них — широкоугольные камеры с диафрагменным числом F/ 12,9, которые обозначаются WF2, WF3 и WF4. Четвёртая — планетарная камера с диафрагменным числом F/28.3 — PC1. Таким образом, в WFPC-2 использовалось четыре комплекта релейной оптики и ПЗС-датчиков. Это решение отличалось от WFPC, в которой использовалось восемь комплектов и два канала. Также разработчики отказались от механического механизма вращения пирамидального зеркала, а все четыре камеры монтировались в местах которые в WFPC были заняты широкопольными ретрансляторами камер.
Разработка Проект космического телескопа «Хаббл» изначально предполагал возможность ремонта и замены части оборудования. Среди заменяемых научных инструментов была Широкоугольная и планетарная камера (WFPC), которая разрабатывалась в JPL под руководством главного исследователя Калифорнийского Технологического Института профессора . Так как, по первоначальным планам телескоп должен был быть запущен в космос в 1983 году, то замена камеры планировалась во время первой миссии обслуживания.
В 1985 году научный сотрудник программы «Хабл» Джон Траугер предложил создать второй экземпляр Широкоугольной и планетарной камеры.
WFPC-2 была разработана в Лаборатории реактивного движения группой под руководством : , , , , , , , , , .
Телескоп «Хаббл» спроектирован таким образом, что наблюдения могут производить сразу два прибора. Например, во время работы Спектрографа тусклых объектов одновременно наблюдения производила камера WFPC-2.
Важным улучшением по сравнению с WFPC1 была разработка нового молекулярного адсорбера, который защищал ПЗС-матрицы от загрязнений. Перед разработчиками Молекулярного адсорбера для WFPC-2 была поставлена задача добиться снижения потери эффективности ПЗС-матриц в полосе пропускания 1470 Å менее 1 % за 30 дней. Для сравнения у WFPC1 этот показатель составлял 50 % в течение 5 часов. Снижение эффективности ПЗС-матриц происходило за счёт накопления молекулярных загрязнений на поверхности охлаждённых ПЗС-матриц, образующихся из газов, выделяемых системами телескопа и внешней атмосферы. Система вентиляционных отверстий в корпусе не решала проблему, а усугубляло её: вокруг телескопа могло образоваться облако газов, которое приводило к загрязнению оптические приборов. Для решения задачи было выбрано два пути: применение матриц, работающих при более высоких температурах (от −50 до −100°С) и разработка нового молекулярного адсорбера, который снижал загрязнение в 10 раз.
История
Модернизация камеры
20 мая 1990 года с борта «Хаббла» поступили первые фотографии, которые продемонстрировали вскрывшийся дефект главного зеркала телескопа — сферическая аберрация, возникшая из-за ошибки измерений во время полировки зеркала. Аден Минель высказал предположение, что проблему сферической аберрации можно решить, переработав оптику ещё не достроенной камеры WFPC-2. Норм Пейдж, инженер-оптик Лаборатории реактивного движения, и Джон Траугер провели испытания на оптической модели WFPC-2 и пришли к выводу, что идею Адена Минеля можно воплотить в жизнь, заменив четыре маленьких зеркала, внутри новой камеры. 27 июня 1990 года представители НАСА провели пресс-конференцию, на которой показали фотографии и рассказали о вскрывшемся дефекте. () — научный руководитель программы «Хаббл», вспоминал, что во время пресс-конференции Джон Траугер «загнал меня в угол в коридоре и сказал „Эд, я думаю, у нас есть способ исправить это с помощью широкоугольной и планетарной камеры 2“». Выслушав аргументы Джона Траугера, Эд Вейлер сделал заявление о том, что у НАСА есть план по решению возникшей проблемы. В течение двух лет в камеру вносились необходимые изменения, которые должны были компенсировать недостатки главного зеркала. В качестве решения возникших проблем было принято решение изменить форму вторичных зеркал в малых телескопах WFPC-2.
Команде, работающей над WPFC-2 (более 100 человек учёных и инженеров под руководством Дэйва Роджерса и Ларри Симмонса), пришлось работать в очень напряжённом режиме, что бы успеть внести изменения и провести все необходимые испытания и проверки к планируемой дате запуска первой сервисной экспедиции SM-1 в 1993 года. Однажды, во время посещения чистой комнаты, где проводились работы с WPFC-2, администратор НАСА Даниэль Голдин спросил сотрудников, чем они занимаются? Ларри Симмонс ответил: «Мы здесь, чтобы починить телескоп „Хаббл“». На что Голдин заявил: «Нет, вы здесь, чтобы спасти агентство».
Среди возникших задач, одной из сложнейших была невозможность практически испытать допущения сделанные при расчётах: «Хаббл» был на орбите и не было возможности проверить камеру до монтажа на орбите. Джон Траугер так сформулировал проблему: «Вы не можете просто искать резкий фокус, вы должны искать то, что, по вашему мнению, существует на борту „Хаббла“».
Подготовка к полёту SM-1
Для проведения первой миссии обслуживания «Хаббла» был запланирован полёт шаттла «Индевор» STS-61. Программа полёта и весь комплекс запланированных работ требовал от астронавтов значительной подготовки. К примеру, для отработки действий в открытом космосе астронавтами было использовано 400 часов на тренировку в гидробассейне в Центре космических полётов имени Джорджа Маршалла. Кроме этого отдельно проводились тренировки в термобарокамере и с использованием виртуальной реальности. Стори Масгрейв отмечал:
Журналисты отмечали, что никто из разработчиков и участников готовящейся миссии обслуживания не верил, что в ходе полёта будут выполнены все семь основных и пять второстепенных задач. Считалось, что полёт будет успешным если удастся хотя бы заменить солнечные батареи, Широкоугольную и планетарную камеру 2 и установить блок корректирующей оптики. Предполагалось, что через полгода-год будет произведён второй полёт, который позволит выполнить всё, что не удалось сделать в ходе миссии STS-61.
1 июня 1993 года JPL отправила готовую камеру WFPC-2 из Калифорнии в Мэриленд, в Центр космических полётов имени Годдарда, куда прибор прибыл 4 июня. 6 августа, в числе прочего оборудования, WPFC-2 на барже для перевозки центрального бака был отправлен из Мэриленда на мыс Канаверал. После прибытия 11 августа начались комплексные испытания оборудования.
9 декабря 1993 года шаттл «Индевор» стартовал с мыса Канаверал. Самая сложная и самая дорогая на момент старта миссия по программе «Спейс шаттл» началась.
Установка камеры в ходе STS-61 Установка камеры на борт «Хаббла» была произведена в ходе экспедиции обслуживания STS-61. Во время 6-х суток полёта шаттла «Индевор» (в ночь с 6 на 7 декабря 1993 года) Стори Масгрейв (специалист полёта № 4, командир полезной нагрузки) и Джеффри Алан Хоффман (специалист полёта № 3) совершили выход в открытый космос для замены Широкоугольной и планетарной камеры № 1 и двух магнитометров. Это был третий выход в рамках миссии и второй для данной пары астронавтов в рамках STS-61. По графику выхода в космос для замены камеры было запланировано 4 часа 15 минут. Ещё час отводился на замену магнитометров.
В 22:33 EST была разгерметизирована шлюзовая камера и астронавты вышли в шлюзовой отсек. Джеффри Хоффман закрепился на якоре манипулятора «Канадарм», а Стори Масгрейв воспользовался переносным якорем, установленным в нижней части телескопа. Извлечение камеры WFPC из корпуса «Хаббла» производилось на ночной стороне 73-го витка. Эта предосторожность была вызвана опасностью повредить научное оборудование телескопа солнечным светом. В результате единственными источниками света оставались фонарики на скафандрах и лампа, освещавшая рабочую зону через иллюминатор «Индевора». Демонтаж камеры WFPC прошёл легко: Хоффман взялся за ручки на корпусе, оператор манипулятора «Канадарм» швейцарский астронавт Клод Николье (специалист полёта № 2) плавно отвёл манипулятор и старая камера вышла из корпуса. Стори Масгрейв контролировал процесс извлечения и удерживал двухметровый прибор от колебаний. Снятая камера была закреплена на временной опоре в грузовом отсеке шаттла.
В 00:24 EST (наступило 7 декабря) WFPC-2 была извлечена из транспортного контейнера. Джеффри Хоффман прокомментировал операцию:
В 01:06 EST WFPC-2 был установлен в корпус «Хаббла». Установка так же производилась на ночном отрезке витка. Весь процесс подготовки и монтажа камеры прошёл настолько легко, что астронавты справились на 45 минут раньше графика. Через 35 минут из ЦУП поступило подтверждение успешности монтажа новой камеры. Неожиданности возникли при замене магнитометров. При демонтаже старых магнитометров возникла опасность выделения газов, опасных для оптики телескопа. В конце концов, все задачи были выполнены и в 05:22 EST астронавты завершили выход в открытый космос.
Тестирование новой камеры в составе телескопа началось в 05:40, а первый тестовый снимок был передан на Землю в 07:35 EST. Завершив установку Широкоугольной и планетарной камеры № 2 экипаж «Индевора» выполнил минимальный лимит задач миссии STS-61. Успешное завершение смены камер было отмечено проигрыванием композиции «Теперь я вижу хорошо» («») американского певца Джонни Нэша в качестве сигнала побудки экипажа в седьмой день полёта.