James Webb rymdteleskop solsköld

Illustration av den utplacerade "heta" sidan av rymdteleskopet James Webb med solskyddet som skyddar huvudoptiken från solljus

James Webb Space Telescope (JWST) solskydd är ett passivt termiskt kontrollsystem som används efter lanseringen för att skydda teleskopet och instrumenteringen från ljuset och värmen från solen , jorden och månen . Genom att hålla teleskopet och instrumenten i permanent skugga låter det dem svalna till sin designtemperatur på 40 kelvin (−233 °C; −388 °F). Dess komplicerade utplacering slutfördes framgångsrikt den 4 januari 2022, tio dagar efter lanseringen, när den var mer än 0,8 miljoner kilometer (500 000 mi) bort från jorden.

JWST-solskölden är ungefär 21 m × 14 m (69 fot × 46 fot), ungefär lika stor som en tennisbana, och är för stor för att få plats i någon befintlig raket. Därför veks den upp för att passa in i kåpan på uppskjutningsraketen och sattes ut efter avfyrningen och vecklade ut fem lager metallbelagd plast. Det första lagret är det största, och varje efterföljande lager minskar i storlek. Varje lager är tillverkat av ett tunt (50 mikron för det första lagret, 25 mikron för de andra) Kapton- membran belagt med aluminium för reflektivitet. De yttersta skikten som vetter mot solen har en dopad kiselbeläggning som ger den en lila färg, gör skölden hårdare och hjälper den att reflektera värme. Tjockleken på aluminiumbeläggningen är cirka 100 nanometer, och kiselbeläggningen är ännu tunnare vid cirka 50 nanometer. Solskyddssegmentet inkluderar lagren och dess utplaceringsmekanismer, som även inkluderar trimfliken.

Översikt

I denna konstnärssyn visar en stiliserad skildring av teleskopets orientering hur solskyddet blockerar solljus från att värma upp huvudspegeln. (Ej skalenlig)

För att göra observationer i det när- och mittinfraröda spektrumet måste JWST hållas väldigt kallt (under 40 K (−233 °C; −388 °F)), annars skulle infraröd strålning från själva teleskopet överväldiga dess instrument. Därför använder den en stor solsköld för att blockera ljus och värme från solen, jorden och månen, och dess position nära Sun-Earth L 2 Lagrange-punkten håller alla tre kropparna på samma sida av rymdfarkosten hela tiden. Dess halobana runt L 2 undviker skuggan av jorden och månen, och upprätthåller en konstant miljö för solskölden och solarrayerna.

Infraröd är värmestrålning. För att se den svaga glöden av infraröd värme från avlägsna stjärnor och galaxer måste teleskopet vara väldigt kallt. Om solljus eller jordens varma sken värmde upp teleskopet, skulle det infraröda ljuset som sänds ut av teleskopet överglänsa dess mål, och det skulle inte kunna se någonting.

— NASAs biträdande seniorprojektforskare för Webb-teleskopet vid Goddard, 2008
Temperaturskillnaderna mellan de varma och kalla sidorna av James Webb Space Telescope femlagers solsköld.

Solskyddet fungerar som ett stort parasoll som låter huvudspegeln, optiken och instrumenten passivt svalna till 40 kelvin (−233 °C; −388 °F) eller svalare, och är en av de möjliggörande teknologierna som gör att JWST kan fungera. Det drakformade solskyddet är cirka 21 gånger 14 meter (69 gånger 46 fot) stort, tillräckligt stort för att skugga huvudspegeln och sekundärspegeln, vilket gör att endast ett instrument, MIRI (Mid-Infrared Instrument), i behov av extra kylning . Solskyddet fungerar som en radiator med V-spår och orsakar ett temperaturfall på 318 K (318 °C, 604 °F) framifrån och bak. I drift kommer skölden att ta emot cirka 200 kilowatt solstrålning, men bara passera 23 milliwatt till andra sidan.

Solskyddet har fem lager för att dämpa värmeledningen. Dessa skikt är gjorda av polyimidfilmen Kapton E , som är stabil från −269 till 400 °C (−450 till 750 °F) . Men de tunna filmerna är ömtåliga - oavsiktliga revor under testning 2018 var en av de faktorer som försenade JWST-projektet, och Kapton är känt för att försämras efter långvarig exponering för jordförhållanden. Det solvända lagret är 0,05 mm (0,002 tum) tjockt och de andra lagren är 0,025 mm (0,001 tum) tjockt. Alla skikt är belagda på båda sidor med 100 nm aluminium , och de mot solen vända sidorna av de två yttersta skikten är också belagda med 50 nm kisel " dopat " med andra element. Detta hjälper materialet att överleva i rymden, utstråla överskottsvärme och att leda elektricitet, så att en statisk laddning inte byggs upp på lagren.

Testenhet av solskölden staplade och utökade vid Northrop Grumman -anläggningen i Kalifornien, 2014

Varje lager har en något annorlunda form och storlek. Lager 5 är närmast den primära spegeln och är det minsta. Lager 1 är närmast solen och är större och plattare. Det första lagret blockerar 90 % av värmen, och varje efterföljande lager blockerar mer värme, som reflekteras ut på sidorna. Solskyddet tillåter optiken att hålla sig i skuggan för stigningsvinklar på +5° till −45° och rullningsvinklar på +5° till −5°. Skikten är designade med Thermal Spot Bond (TSB), med ett rutmönster bundet till varje lager med intervaller. Detta hjälper till att förhindra att ett riv eller hål ökar i storlek om det skulle inträffa.

Design och tillverkning

Kuponger av Sunshield-testtyg som testas för att se hur de presterar, 2012

Northrop Grumman designade solskölden för NASA. Solskölden är designad för att vikas tolv gånger så att den kan passa inom Ariane 5 -raketens 4,57 m (15,0 fot) diameter gånger 16,19 m (53,1 fot) hölje. När den utvecklades vid L2-punkten vecklades den ut till 21,197 m × 14,162 m (69,54 fot × 46,46 fot). Solskyddet monterades för hand på ManTech (NeXolve) i Huntsville, Alabama innan det levererades till Northrop Grumman i Redondo Beach, Kalifornien för testning. Under uppskjutningen lindades den runt det optiska teleskopelementet och vecklades sedan ut. Solskyddet var planerat att vikas ut ungefär en vecka efter lanseringen. Under utvecklingen testades solskyddslagrets material med värme, kyla, strålning och höghastighetsmikropåverkan.

Komponenter i solskyddet inkluderar:

  • Kärna
  • Fram och akter fyrstångslänkage
  • Aggre strukturmontering
    • Momentum trimflik (fliken är fäst vid den bakre strukturenheten)
    • Bakre spridarbyglar (sprider lager i den bakre delen)
  • Framåtgående konstruktionsmontering
    • Framåtriktade spridarbyglar
  • Mittbommar (en på varje sida)
    • Mittspridarstänger (sprider de 5 lagren isär)
  • Två främre och två bakre tvåbensutskjutningslåsenheter

Bipod lanseringslåsenheterna är där solskyddssegmentet ansluts till OTE när den fälldes upp under lanseringen. Det finns sex spridarstänger som expanderade för att separera skikten av solskyddet, som har ungefär sex sidor.

Trimflik/momentum trimflik

Diagram över rullgränser och hur de påverkar pekning

Solskyddssegmentet inkluderar också en trimflik i änden av en solskyddsutfällningsbom. Detta kallas också momentum trim tab. Trimfliken hjälper till att balansera ut soltrycket som orsakas av fotoner som träffar solskyddet. Om detta tryck är ojämnt kommer rymdfarkosten att tendera att rotera, vilket kräver att dess reaktionshjul (finns i rymdfarkostbussen) för att korrigera och bibehålla JWST:s orientering i rymden. Reaktionshjulen kommer i sin tur så småningom att bli mättade och kräva bränsle för att desatureras, vilket potentiellt begränsar rymdfarkostens livslängd. Trimfliken, genom att hjälpa till att hålla trycket balanserat och därmed begränsa bränsleförbrukningen, förlänger teleskopets livslängd.

Skikten

De fem skikten av JWST-solskölden testas 2013

Skikten är utformade så att solen, jorden och månen nästan uteslutande lyser på lager ett, ibland en liten del av lager två, och på andra sidan att teleskopelementen bara ser lager fem och ibland en liten del av lager fyra. Separationen mellan skikten, i rummets vakuum, förhindrar värmeöverföring genom ledning och hjälper till att utstråla värme ur vägen. Silikondopning av materialet orsakar den lila nyansen.

Spridning

Animationssekvens för utplaceringen av solskyddet. Se den här animationen för att se hur solskyddsutbyggnaden passar inom hela sekvensen av utplaceringar på rymdfarkosten .

Solskyddskomponenten fäster vid huvudrymdfarkosten, och dess bommar expanderar utåt och sprider ut värmeskölden och separerar lagren. Under lanseringen fälls skölden upp; senare, när den är i rymden, vecklas den försiktigt ut. När solskyddet är helt öppet är det 14,6 meter (48 fot) brett och 21,1 meter (69 fot) långt. När lagren är helt öppna öppnas de bredare i kanterna vilket hjälper till att reflektera värmen ut.

Solskyddsutbyggnadsstruktur/-enheter inkluderar:

Det finns två stamutlösare inuti teleskopbommarna. Dessa är speciella elektriska motorer som, när de kördes, förlängde teleskopbommen och drog ut den hopfällda solskärmen. De teleskopiska bommarna kallas MBA, eller mid-bom assemblies. I slutet av varje MBA finns en spridarstång.

Efter en framgångsrik uppskjutning 2021 den 25 december från Guyana Space Center , fortsatte utplaceringen av JWST-solskölden efter lanseringen enligt följande.

Den 31 december 2021 påbörjade markteamet vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland utplaceringen av de två teleskopiska "mid-bommarna" från vänster och höger sida av observatoriet, och drog ut de fem solskyddsmembranen ur deras vikta. stuvning i fram- och akterpallarna, som sänkts tre dagar tidigare. Utplaceringen av den vänstra sidobommen (i förhållande till huvudspegelns pekriktning) försenades när uppdragskontrollen initialt inte fick någon bekräftelse på att solskyddskåpan hade rullats upp helt. Efter att ha tittat på extra data för bekräftelse fortsatte teamet med att förlänga bommarna. Den vänstra sidan utplacerade på 3 timmar och 19 minuter; den högra sidan tog 3 timmar och 42 minuter. Med det steget liknade Webbs solskydd sin kompletta, drakformade form och sträckte sig till sin fulla 47 fots bredd. Kommandon att separera och spänna membranen skulle följa.

    Efter att ha tagit ledigt nyårsdagen fördröjde markteamet solskyddsspänningen med en dag för att ge tid att optimera effektuttaget från observatoriets samling av solpaneler och för att justera orienteringen av observatoriet för att kyla ned den något varmare än förväntade solskärmen utbyggnadsmotorer. Spänning av lager ett, närmast solen och störst av de fem i solskyddet, började 2022 den 3 januari och slutfördes klockan 15:48 . EST. Spänning av det andra och tredje lagret började kl. 16:09 . EST och tog 2 timmar och 25 minuter. Den 4 januari 2022 spände styrenheter framgångsrikt de två sista lagren, fyra och fem, och slutförde uppgiften att distribuera JWST-solskyddet klockan 11:59 EST.

Tidslinje

  • 2007 eller tidigare, Technology Readiness Level (TRL) 6 uppnåtts för solskyddsmembranet.
  • 2016 11 september, första lagret av solskydd färdigt.
  • 2016 2 november är det sista femte lagret klart.
  • 2018 27 mars meddelade NASA närvaron av tårar i solskölden, vilket bidrog till lanseringsförseningar.
  • 2021 25 december, framgångsrik uppskjutning av rymdteleskopet James Webb från Guyana Space Center .
  • 2021 31 december, första utplaceringen av teleskopbommarna för att stödja och veckla ut solskyddet.
  • 2022 3 januari, initial uppspänning och separering av de tre första lagren av solskyddet.
  • 2022 4 januari, slutförandet av spänningen/separeringen av alla fem skikten och den framgångsrika utplaceringen av JWST-solskölden, tio dagar efter lanseringen och mer än 0,8 miljoner kilometer (500 000 mi) från jorden.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=James_Webb_Space_Telescope_sunshield&oldid=1125966839 "