Хейген Уоррен и Крис Гебхардт, 24 декабря 2021 г.
Первоисточник:
Ariane 5 с космическим телескопом «Джеймса Уэбба» на ELA-3 во Французской Гвиане. Фото: Крис Гебхардт (фото) Натан Баркер (обработка)
Это миссия, над которой мы работали более 25 лет. Революционный JWST (James Webb Space Telescope) — партнерство между NASA, ЕSA (Европейское космическое агентство) и CSA (Канадское космическое агентство) — находится на своей ракете Ariane 5 на стартовой площадке ELA-3 в Космическом центре Гвианы в Южной Америке.
Запуск «Джеймса Уэбба» намечен в 32-минутном «окне», которое откроется в субботу, 25 декабря, в 12:20 UTC (7:20 утра по восточному стандартному времени) с возможностью резервного запуска, доступной почти каждый день после этого. Ariane 5 не будет выводить JWST на околоземную орбиту, а вместо этого выведет телескоп на 30-дневную переходную траекторию к точке Лагранжа L2 в системе Солнце-Земля.
«Джеймс Уэбб» прибыл во Французскую Гвиану 12 октября 2021 года после многих лет обширных испытаний и окончательной интеграции генеральным подрядчиком Northrop Grumman. После прибытия во Французскую Гвиану «Джеймс Уэбб» был перевезен в Космический центр Гвианы, где были выполнены окончательные проверки, интеграция и заправка телескопа топливом.
«Джеймс Уэбб» был поднят и интегрирован наверху ракеты Ariane 5 11 декабря и заключен в 5,4-метровый обтекатель полезной нагрузки 18 декабря. Ariane 5 и «Джеймс Уэбб» вывезены из здания окончательной сборки пятью днями позже, 23 декабря, на стартовую площадку ELA-3 (Ensemble de Lancement Ariane 3).
Для «Уэбба» потребовались некоторые модификации Ariane 5, в том числе усиление дезактивации полезной нагрузки.
«Были предприняты некоторые меры предосторожности», — сказал Даниэль де Шамбюр, менеджер системы оперативного запуска Ariane 5.
«Для спутника мы установили специальный высокоэффективный фильтр HEPA для создания ламинарного потока вокруг Уэбба по мере необходимости. Основная цель заключалась в том, чтобы предотвратить загрязнение — обычное загрязнение — [в] 10 раз. Приняв эти меры, активный угольный фильтр в системе кондиционирования воздуха… это было необходимо для чувствительной аппаратуры Уэбба».
Кроме того, обтекатель полезной нагрузки, который будет защищать «Уэбба» от плотных нижних слоев атмосферы Земли в первые минуты полета, прошел более строгие процедуры очистки и обеззараживания: сначала очистили в Европе перед отправкой во Французскую Гвиану, а затем еще раз перед герметизацией.
Эти новые процедуры были специально разработаны для «Уэбба», но де Шамбюр отметил, что они, вероятно, будут в некоторой степени использоваться для предстоящей миссии ESA JUICE к спутникам Юпитера — миссии, которую в настоящее время планируется запустить на предпоследней в истории ракете Ariane 5.
Что касается «Уэбба», Ariane 5 начнет обратный отсчет в T-11 часов 23 минуты. Полная проверка электрических систем Ariane 5 состоится в Т-10 часов 33 минуты до начала загрузки топлива Ariane 5.
Топливное оборудование для ракеты Ariane 5 (Источник: Крис Гебхардт (фотография) Натан Баркер (правка)
Загрузка жидкого водорода и жидкого кислорода в первую ступень Ariane 5 начинается в T-4 часов 38 минут. Чуть более часа спустя жидкий водород и жидкий кислород начинают поступать во вторую ступень в Т-3 часа 23 минуты. Охлаждение главного двигателя Vulcain первой ступени начнется в Т-3 часа 18 минут.
В T-1 час 15 минут команды Arianespace проверит соединение между ракетой и системами телеметрии, слежения и управления. Чуть более часа спустя команды запуска проведут отчет «Все системы работают», чтобы подтвердить, что «Джеймс Уэбб» и Ariane 5 готовы к запуску.
В момент времени Т-4 в топливных баках первой и второй ступени будет повышено давление для полета. Затем, в T-1 минуту, Ariane 5 переключится на бортовое питание.
В момент T-5 секунд криогенные топливопроводы, которые снабжают резервуары Ariane 5 криогенным топливом, закроются и отведутся от ракеты. В момент времени Т-4 сек. последовательность запуска возьмет на себя бортовая система ракеты.
После T=0 загорится главный двигатель Vulcain первой ступени, а сдвоенные твердотопливные ракетные ускорители будут работать с момента T + 7,01 секунды.
В момент T + 7,3 секунды ракета Ariane 5 стартует с площадки ELA-3 в Космическом центре Гвианы с космическим телескопом «Джеймса Уэбба».
Отделение твердотопливных ускорителей произойдет в T + 2 минуты 22 секунды, со сбросом обтекателя полезной нагрузки в T + 3 минуты 26 секунд. Двигатель Vulcain исчерпает запас жидкого водорода и жидкого кислорода при T + 8 минут 47 секунд, после чего сразу же произойдет разделение ступеней и зажигание двигателя HM-7B на верхней ступени ESC-A (Etage Supérieur Cryogénique-A).
Верхняя ступень выполнит один непрерывный 16-минутный 6-секундный прожиг, чтобы направить «Уэбба» прямо на траекторию перехода к L2.
Отделение «Уэбба» от верхней ступени Ariane 5 запланировано через 27 минут 7 секунд после старта.
«Джеймс Уэбб» и Ариана 5 перемещаются из здания окончательной сборки на площадку ELA-3. (предоставлено: Крис Гебхардт (фотография) и Натан Баркер (обработка) для NSF L2
Космический телескоп «Джеймса Уэбба»
Хотя его миссия сейчас должна начаться, история JWST уходит своими корнями в середину 1990-х годов и в программу космического телескопа следующего поколения, который стремился значительно расширить возможности космического телескопа «Хаббл».
Таким образом, JWST технически не является заменой культовой обсерватории «Хаббла», а, скорее, является усовершенствованным дополнительным телескопом, который может видеть детали в таких длинах волн, которые не доступны «Хабблу».
Особый интерес для астрономов JWST представляет инфракрасная длина волны от 0,6 до 28,3 мкм, для которой оптимизирован «Уэбб». «Хаббл» наблюдает длины волн в ближнем, ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах от 0,1 до 1 мкм.
NASASpaceflight много писал о различных приборах на борту JWST, а также о его криокулере, который является ключом к охлаждению обсерватории до 6K для инфракрасных наблюдений.
Щелкните здесь, чтобы увидеть эти статьи.
Благодаря бериллиевому зеркалу диаметром 6,8 м, покрытому золотом, JWST сможет видеть «первый свет» примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва, когда формировались первые звезды и галактики.
Однако это не самое дальнее расстояние, которое видел телескоп; эта честь достается COBE (Cosmic Background Explorer).
COBE предоставил важные доказательства в поддержку теории Большого взрыва о создании Вселенной, в том числе то, что космическое микроволновое фоновое излучение имеет почти идеальный спектр черного тела и имеет очень слабую анизотропию.
Два главных исследователя COBE, Джордж Ф. Смут и Джон С. Мэзер, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2006 году за свою работу с COBE. Джон Мазер сейчас является старшим научным сотрудником проекта JWST, который продолжит свою работу по исследованию формирования Вселенной, продолжая — с точки зрения того, что она может видеть — с того места, на котором остановился COBE.
Но «Уэбб» не только пытается вернуться к первым элементам формирования Вселенной. JWST также сможет видеть намного ближе к сегодняшнему дню, исследуя, среди прочего, атмосферы экзопланет, чтобы охарактеризовать их состав и раскрыть больше об их эволюции, а также об их способности поддерживать жизнь.
«Уэбба» также «попросят» наблюдать за планетами и другими целями в нашей солнечной системе.
Ariane 5 во время операций по загрузке гелия 24 декабря 2021 г. (Источник: Крис Гебхардт (фото) и Натан Баркер (обработка) для NSF)
Для выполнения разнообразных задач и исследований JWST состоит из: 18 гексагональных сегментов главного зеркала с золотым покрытием; вторичного фокусирующего зеркала; солнцезащитного экрана, чтобы сохранять холод и блокировать рассеянный свет от Солнца; криоохладителя для дальнейшего понижения температуры обсерватории сверх пассивной способности солнцезащитного экрана; системы связи для передачи данных обратно на Землю; и четырех основных научных инструментов.
Четыре инструмента Уэбба:
NIRCam — камера ближнего инфракрасного диапазона от Университета Аризоны в партнерстве с Lockheed Martin и Центром космических полетов Годдарда NASA,
NIRSpec — спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне от Центра космических полетов имени Годдарда NASA, Европейского космического агентства и компании Airbus Defense and Space, создавшей прибор,
MIRI — прибор среднего инфракрасного диапазона от NASA и Европейского космического агентства, а также
FGS / NIRISS — датчик точного наведения, формирователь изображения в ближней инфракрасной области и бесщелевой спектрограф от Канадского космического агентства и Университета Монреаля.
Все это делает «Уэбба» большим. Довольно большим.
Чтобы увидеть «первый свет», главное зеркало телескопа должно быть 6,8 метра в диаметре — слишком велико, чтобы поместиться в обтекатель полезной нагрузки любой существующей ракеты.
Но не самое важное, «Уэбб» должен быть очень холодным, чтобы видеть в длинах волн, необходимых для его миссии. Для этого JWST использует солнцезащитный экран, чтобы сначала пассивно охладиться до 50K, а затем криокулер снизит температуру до 6K.
Полностью развернут массивный солнцезащитный экран «Джеймса Уэбба». (Источник: NASA / Крис Ганн)
Этот солнцезащитный экран имеет размеры 14,162 м × 21,197 м, что слишком велико для обтекателя Ariane 5 диаметром 4,57 м и длиной 16,19 м.
Чтобы поместиться в Ariane 5, Уэбб должен уметь складываться перед запуском. Это не редкость в космических полетах. Спутники обычно складывают части себя не только для того, чтобы поместиться в обтекатели ракеты, но и для защиты от стартовых нагрузок.
В этом «Уэбб» отличается от всех, кто был до него. Его размер требует 344 операций развертывания в космосе, чтобы поместиться в Ariane.
Из этих 344 развертываний 307 (87%) являются критическими областями «единой точки отказа» — это означает, что если одно из этих критических развертываний выйдет из строя, будь то развертывание солнцезащитного экрана или развертывание основного/второго зеркала, миссия будет завершена раньше, чем она станет реальностью. Из этих 307 критических зон единичного отказа 225 (65%) находятся в солнцезащитном экране.
Из 344 развертываний 178 (52%) представляют собой механизмы спуска NEA (невзрывоопасный исполнительный механизм). Солнцезащитный экран содержит 120 этих механизмов разблокировки NEA, 107 из которых являются MRD (мембранными устройствами разблокировки), 9 — съемниками штифтов и 4 предназначены для торможения троса.
Процесс развертывания, запланированный командой с шагом 15 минут, начнется вскоре после отделения JWST от верхней части верхней ступени Ariane 5 ECS-D и продлится примерно 30 дней.
Ученые и инженеры проекта не решались выпускать полную временную шкалу заранее, так как многие из этих операций никогда раньше не выполнялись в космосе, а промахи и корректировки почти наверняка произойдут.
Если 30-дневный процесс развертывания проходит по плану, JWST потребуется еще примерно пять месяцев, чтобы солнцезащитный козырек и криокулер должным образом охладили обсерваторию, прежде чем можно будет провести окончательную калибровку прибора, хотя некоторые калибровки будут проведены заранее.
В настоящее время JWST должен быть готов к первым наблюдениям к середине 2022 года, хотя конкретная дата не будет известна публично до тех пор, пока сложный процесс подготовки телескопа к реальному просмотру Вселенной не будет близок к завершению.
Таким образом, публике не следует ожидать изображений от «Уэбба» раньше середины 2022 года.
Межведомственное партнерство — вместе
Международные усилия по JWST из США, Европы и Канады в некотором роде повторяют проект телескопа «Хаббл».
«Хаббл» — это партнерство NASA и ESA, при этом ESA предоставляет финансирование и инструменты в обмен на гарантированное время для европейских астрономов на обсерватории.
Двигатель Vulcain и твердотопливные ракетные ускорители доставят Ariane 5 в космос. (Предоставлено: Крис Гебхардт (фото) и Натан Баркер (обработка) для NSF)
Точно так же партнерство JWST работает примерно так же: Европа предоставила часть инструмента NIRSpec, часть криокулера и, что особенно важно, ракету-носитель.
Тем временем Канадское космическое агентство предоставило датчик точного наведения, формирователь изображения ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф.
Все эти взносы предоставляют каждому агентству определенный процент времени использования JWST. Но для ESA вклад ракеты-носителя будет наиболее заметным.
Ariane 5
Высоконадежная ракета Ariane 5 будет иметь всемирную известность, поскольку ей поручено вывести в космос обсерваторию стоимостью почти 10 миллиардов долларов в субботу.
JWST — самая дорогая и, пожалуй, самая важная миссия за долгую карьеру Ariane 5, которая включала запуски межпланетных миссий, пополнение запасов грузов на Международную космическую станцию и многочисленные спутниковые миссии с одним и двумя спутниками.
Ariane 5 выполняет полеты в космос с июня 1996 года, и поэтому было разработано несколько вариантов ракеты.
К запуску «Джеймса Уэбба» Ariane 5 будет летать в конфигурации ECA (Evolution Cryotechnique type A). Первый полет в 2002 году, вариант ECA использует улучшенный главный двигатель Vulcain 2 и вторую ступень ESC-A (Etage Supérieur Cryogénique-A).
Ariane 5 ECA состоит из двух ступеней и двух сдвоенных твердотопливных ракетных ускорителей EAP P241. Эти SRB имеют высоту 31,6 м и обеспечивают общую тягу 14 160 кН в течение 140 секунд.
Первая ступень Ariane 5 ECA, получившая название EPC, имеет высоту 23,8 м и диаметр 5,4 м. EPC приводится в действие одним двигателем Vulcain 2 Hydrolox (жидкий водород-жидкий кислород), который обеспечивает тягу 960 кН на уровне моря и 1390 кН в вакууме.
Вторая ступень Ariane 5 ECA называется ESC-A и имеет высоту 4,71 м и диаметр 5,4 м. ESC-A приводится в движение одним двигателем HM7B Hydrolox, который развивает тягу в 67 кН.
В целом, Ariane 5 имеет хорошие показатели безопасности и успешности, хотя, как и все ракеты, она не застрахована от неудач.
До JWST Ariane 5 выполнила 111 миссий, две из которых полностью провалились: первая была ее самым первым полетом (квалификационная миссия), а вторая — в декабре 2002 — 19 лет назад.
Первая неудача при запуске произошла из-за того, что Arianespace использовала программное обеспечение наведения Ariane 4 на Ariane 5. Вторая неудача при запуске в декабре 2002 года произошла из-за неисправности в системе охлаждения главного двигателя Vulcain.
Ariane 5 также потерпел три частичных отказа: один во время второго квалификационного полета в октябре 1997 года, другой в июле 2001 года (когда один спутник вышел на правильную орбиту благодаря использованию своего бортового топлива, а другой был потерян), а третий частичный. отказ (когда все спутники вышли на заданные орбиты после использования своего бортового топлива) в январе 2018 года.
Однако в целом Ariane 5 является чрезвычайно надежной ракетой-носителем, а конкретная ракета-носитель Ariane 5, запускающая «Джеймса Уэбба», была тщательно протестирована и подготовлена к запуску обсерватории в L2.
В целом, «Уэбб» станет 62-й миссией и 85-м спутником, запущенным Arianespace для ESA, и 28-й научной миссией, запущенной Arianespace.
Первоисточник:
