Сонцезахисний екран космічного телескопа Джеймса Вебба — пасивна система терморегуляції, яка розгортається після запуску для захисту телескопа та приладів від світла та тепла Сонця, Землі та Місяця. Завдяки постійному затіненню телескопа та інструментів, вони підтримуються за постійної температури 40 кельвінів. Розгортання сонцезахисного екрану успішно завершшили 4 січня 2022 року, через десять днів після запуску, на відстані понад 0,8 млн км від Землі.

Сонцезахисний екран космічного телескопа Джеймса Вебба має розмір приблизно 21 м × 14 м, що дорівнює площі тенісного корту, і є надто великим, щоб поміститися в будь-яку наявну ракету. Тому його склали для розміщення під обтічником ракети-носія й розгорнули вже після запуску, розкривши п'ять шарів вкритого металом пластику. Перший шар є найбільшим, а кожен наступний — менший за попередній. Кожен шар виготовили з тонкої (50 мікронів для першого шару, 25 мікронів для решти) мембрани з , покритої алюмінієм для відбиття світла. Зовнішні шари, звернені до Сонця, мають покриття з легованого кремнію, що надає їм фіолетового відтінку, зміцнює екран і допомагає відбивати тепло. Товщина алюмінієвого покриття становить приблизно 100 нанометрів, а кремнієвого — ще менша, близько 50 нанометрів. Сегмент сонцезахисного екрана включає самі шари та механізми їх розгортання, до яких також належить балансувальний клапан ().

Огляд

Щоб проводити спостереження в ближньому та середньому інфрачервоному діапазоні, космічний телескоп Джеймса Вебба має залишатися дуже холодним (нижче 50 К, а деякі частини — нижче 40 К), інакше інфрачервоне випромінювання від самого телескопа засліпило б його інструменти. Тому він використовує великий сонцезахисний екран, щоб блокувати світло та тепло від Сонця, Землі та Місяця, а його розташування поблизу точки Лагранжа L2 системи Сонце — Земля утримує всі три тіла по один бік від космічного апарата весь час. Його гало-орбіта навколо точки L2 уникає тіні Землі та Місяця, підтримуючи стабільні умови для сонцезахисного екрана та сонячних панелей.

Сонцезахисний екран діє як велика парасолька, що дозволяє головному дзеркалу, оптиці та інструментам до 40 К або нижче, і є однією з ключових технологій, які забезпечують роботу космічного телескопа. Ромбоподібний (у формі повітряного змія) сонцезахисний екран має розмір приблизно 21 на 14 м, що достатньо для затінення головного та вторинного дзеркал, так що лише один інструмент, MIRI, потребує додаткового охолодження. Сонцезахисний екран виконує роль радіатора, створюючи перепад температур у 318 К між передньою та задньою частинами. Під час роботи екран отримує близько 200 кіловатів сонячного випромінювання, але пропускає на інший бік лише 23 мілівати.

Сонцезахисний екран складається з п'яти шарів для зменшення теплопровідності. Ці шари виготовлені з плівки , яка зберігає стабільність у діапазоні температур від −269 до 400 °C. Однак тонкі плівки є дуже вразливими: випадкові розриви під час випробувань у 2018 році стали одним із чинників затримки проєкту космічного телескопа Джеймса Вебба, до того ж відомо, що каптон деградує після тривалого впливу земних умов. Шар, звернений до Сонця, має товщину 50 мкм, а решта шарів — 25 мкм. Усі шари з обох боків вкриті 100 нанометрами алюмінію, а звернені до Сонця сторони двох зовнішніх шарів також мають покриття з 50 нанометрів кремнію, легованого іншими елементами. Це допомагає матеріалу витримувати космічні умови, випромінювати надлишкове тепло та проводити електричний струм, щоб на шарах не накопичувався статичний заряд.

Кожен шар має дещо іншу форму та розмір. П'ятий шар є найменшим і розташований найближче до головного дзеркала. Перший шар — найбільший, більш плоский і розташований найближче до Сонця. Перший шар блокує 90 % тепла, а кожен наступний шар блокує додаткове тепло, яке відбивається в боки. Сонцезахисний екран дозволяє оптиці залишатися в тіні за кутів тангажу від +5° до −45° та кутів крену від +5° до −5°. Шари розробили з використанням технології термічного точкового зварювання: до кожного шару через певні проміжки прикріплено спеціальну сітку. Вона допомагає зупинити збільшення розміру розриву або отвору, якщо такі виникнуть.

Проєктування та виготовлення

Компанія Northrop Grumman спроєктувала сонцезахисний екран для НАСА. Сонцезахисний екран розробили так, щоб його можна було скласти дванадцять разів, і він помістився під обтічником ракети «Ariane 5» діаметром 4,57 м і довжиною 16,19 м. Під час розгортання в точці L2 він розкрився до розмірів 21,197 м × 14,162 м. Сонцезахисний екран зібрали вручну на підприємстві у місті Гантсвілл (штат Алабама), після чого доставили до компанії Northrop Grumman у Редондо-Біч (штат Каліфорнія) для проведення випробувань. Під час запуску він був обгорнутий навколо оптичного елемента телескопа, а згодом розгорнутий. Сонцезахисний екран планували розгорнути приблизно через тиждень після запуску. Під час розробки матеріал шарів сонцезахисного екрана випробовували на вплив спеки, холоду, радіації та ударів мікрометеоритів.

До компонентів сонцезахисного екрана належать: Центральна частина Передній і задній чотириопорні механізми Задня конструкційна збірка Балансувальний клапан (прикріплений до задньої конструкційної збірки) Задні розпірні стрижні (розділяють шари в задній частині) Передня конструкційна збірка Передні розпірні стрижні Середні стріли (по одній з кожного боку) Середні розпірні стрижні (віддаляють 5 шарів один від одного) Два передні й два задні двоногі вузли стартових фіксаторів

За допомогою двоногих вузлів стартових фіксаторів сегмент сонцезахисного екрана з'єднувався з оптичним елементом телескопа, коли його складали перед запуском. У конструкції передбачено шість розпірних стрижнів, які висувалися для розділення шарів сонцезахисного екрана, що має переважно шестикутну форму.

Балансувальний клапан

Сегмент сонцезахисного екрана також містить балансувальний клапан () на кінці стріли для розгортання екрана. Його також називають клапаном компенсації моменту імпульсу (). Цей клапан допомагає врівноважити сонячний тиск, спричинений потраплянням фотонів на сонцезахисний екран. Якщо цей тиск є нерівномірним, космічний апарат починатиме обертатися, що вимагатиме залучення маховиків (розташованих на платформі), щоб скоригувати та підтримувати орієнтацію космічного телескопа Джеймса Вебба в просторі. Своєю чергою маховики з часом досягнуть насичення і потребуватимуть пального для розвантаження, що потенційно обмежує термін експлуатації космічного апарата. Допомагаючи підтримувати баланс тиску і тим самим обмежуючи використання пального, балансувальний клапан продовжує робочий ресурс телескопа.

Шари

Шари спроєктували так, щоб Сонце, Земля і Місяць освітлювали майже виключно перший шар і лише зрідка — незначну частину другого, а з іншого боку елементи телескопа «бачили» лише п'ятий шар та іноді невелику частину четвертого. Простір між шарами в космічному вакуумі запобігає передачі тепла через теплопровідність і сприяє відведенню тепла шляхом випромінювання назовні. Легування матеріалу кремнієм надає йому фіолетового відтінку.

Розгортання

Блок сонцезахисного екрана кріпиться до основного корпусу космічного апарата, а його стріли висуваються назовні, розправляючи теплозахисний екран і розділяючи шари. Під час запуску екран складений, а пізніше, уже в космосі, його обережно розгортають. Коли сонцезахисний екран повністю розкритий, його ширина становить 14,6 м, а довжина — 21,1 м. Під час повного розкриття шари ширше розходяться по краях, що допомагає відводити тепло назовні.

Конструкція та механізми розгортання сонцезахисного екрана містять:

стрижневі пристрої розгортання розпірні стрижні тросові приводи

Усередині телескопічних стріл розташовано два стрижневі пристрої розгортання. Це спеціальні електродвигуни, які під час роботи висували телескопічну стрілу, витягуючи складений сонцезахисний екран. Телескопічні стріли називаються середньострілові вузли (). На кінці кожного середньострілового вузла розташований розпірний стрижень.

Після успішного запуску 25 грудня 2021 року з Гвіанського космічного центру, післястартове розгортання сонцезахисного екрана космічного телескопа Джеймса Вебба відбувалося так.

31 грудня 2021 року наземна команда в Науковому інституті космічного телескопа в місті Балтимор (штат Меріленд) розпочала розгортання двох телескопічних «середніх стріл» з лівого та правого боків обсерваторії. Вони витягували п'ять мембран сонцезахисного екрана з їхнього складеного положення в передньому та задньому піддонах (), які опустили за три дні до цього. Розгортання лівої стріли (відносно напрямку наведення головного дзеркала) затрималося, оскільки центр управління польотами спершу не отримав підтвердження, що чохол сонцезахисного екрана повністю згорнувся. Проаналізувавши додаткові дані для підтвердження, команда продовжила висування стріл. Ліва сторона розгорнулася за 3 години 19 хвилин; права — за 3 години 42 хвилини. Після цього кроку сонцезахисний екран телескопа набув своєї остаточної форми, що нагадує повітряного змія, і розтягнувся на повну ширину в 14 м. Далі мали надійти команди на розділення та натягнення мембран.

Взявши вихідний на Новий рік, наземна команда відклала натягнення сонцезахисного екрана на один день, щоб виділити час для оптимізації вихідної потужності масиву сонячних панелей обсерваторії та скоригувати її орієнтацію з метою охолодження двигунів розгортання екрана, які нагрілися трохи більше, ніж очікувалося. Натягнення першого шару — найближчого до Сонця і найбільшого з п'яти — розпочалося 3 січня 2022 року і завершилося о 15:48 за східним стандартним часом (EST). Натягнення другого та третього шарів стартувало о 16:09 EST і тривало 2 години 25 хвилин. 4 січня 2022 року диспетчери успішно натягнули останні два шари — четвертий і п'ятий, завершивши завдання з розгортання сонцезахисного екрана космічного телескопа Джеймса Вебба об 11:59 EST.

Хронологія 2007 рік або раніше: досягнуто рівень 6 готовності технології () для мембрани сонцезахисного екрана. 11 вересня 2016 року: завершено виготовлення першого шару сонцезахисного екрана. 2 листопада 2016 року: завершено виготовлення останнього, п'ятого шару. 27 березня 2018 року: НАСА оголосило про наявність розривів на сонцезахисному екрані, що стало однією з причин затримки запуску. 25 грудня 2021 року: успішний запуск космічного телескопа Джеймса Вебба з Гвіанського космічного центру. 31 грудня 2021 року: початкове розгортання телескопічних стріл для підтримки та розкриття сонцезахисного екрана. 3 січня 2022 року: початкове натягнення та розділення перших трьох шарів сонцезахисного екрана. 4 січня 2022 року: завершення натягнення та розділення всіх п'яти шарів та успішне розгортання сонцезахисного екрана космічного телескопа Джеймса Вебба через десять днів після запуску на відстані понад 0,8 млн км від Землі.

Див. також Теплова ізоляція Скайлаб (також використовував розгорнутий сонцезахисний екран у 1970-х роках) Хронологія космічного телескопа Джеймса Вебба

Примітки

Посилання

Проектування космічного телескопа Джеймса Вебба та сонцезахисного екрану JWST