NASA 的 DART 任務旨在拯救世界


如果詹姆斯韋伯太空望遠鏡要發揮作用——看的那麼遠,那麼回溯的時間那麼遠,以至於它可以看到大爆炸後形成的第一個星系——它必須對如此微弱的物體進行成像,以至於它們幾乎無法從寒冷中脫穎而出在他們旁邊。 世界將開始了解天文台的運作情況 最快下週,預計 JWST 將發布其第一批科學圖像和光譜數據。

所以,為了論證的緣故,讓我們假設 到目前為止的所有跡象 事實上,這確實表明韋伯任務的科學數據收集階段(希望是漫長而傳奇的)的成功啟動。 那麼,這台大型望遠鏡的工程師和設計師是如何讓望遠鏡足夠冷卻的——所有這些都是在地球到月球距離的近四倍的地方——才能完成它的工作呢?

經過 25 年多的努力和數不勝數的技術障礙,韋伯團隊已經發射並將其龐大的天文台駐紮在太陽軌道上,並將其儀器帶到低於 40 開爾文 (-233 °C) 的溫度,足以看到早期宇宙135億年前。 值得注意的是,大部分冷卻都是被動完成的,通過為望遠鏡遮擋太陽並讓物理學負責其餘部分。

“韋伯不僅僅是一群人的產物。 這不是一些聰明的天文學家的產物——韋伯確實是我們整個世界能力的產物,”說 基思·帕里什,美國宇航局韋伯團隊的負責人 戈達德太空飛行中心 在馬里蘭州。 “總的來說,Webb 確實是我們構建複雜機器的全部專業知識的結果。”

Parrish 於 1997 年加入該項目,經過多年的設計、組裝、測試、延遲以及最終於 2021 年 12 月 25 日推出,最終成為其調試經理。他幾乎說出了關於它的一切——它的形狀和位置,它的材料製造——是由需要有一個能夠在超低溫下存活多年的天文台所決定的。

一張無塵室的照片,五張巨大的箔狀薄片相互疊放,遠處有三位科學家正在檢查遮陽板在這張照片中,五層 JWST 遮陽板正在潔淨室中展開和檢查。 塗層的 Kapton E 層從不接觸,最大限度地減少熱量從一層傳遞到下一層。 亞歷克斯·埃弗斯/諾斯羅普·格魯曼公司

韋伯是一個紅外天文台有很多原因,其中最重要的是隨著宇宙的膨脹,來自遙遠物體的光的波長被拉長,導致劇烈的紅移。 紅外線也適用於透視宇宙塵埃和氣體,以及對彗星、柯伊伯帶天體以及可能圍繞其他恆星運行的行星等冷物體進行成像。

但是紅外輻射通常最好以熱量的形式測量,這就是為什麼韋伯如此冷很重要的原因。 如果像哈勃望遠鏡一樣,它在低地球軌道上,並且沒有遮擋太陽,那麼它的大部分目標都會被太陽和地面以及望遠鏡本身的熱量所淹沒。

“如果我的信號是熱量——而紅外線是熱量——那麼我不能擁有系統中的其他熱源,”說 吉姆弗林遮陽板經理 諾斯羅普·格魯曼公司,韋伯的主要承包商。

所以韋伯已經被派去在太空中盤旋一個叫做 L2,150 萬公里外,與太陽相對,被稱為拉格朗日點的位置之一。 這些“L”點正是地球和太陽的引力共同作用的地方,以使其在繞太陽運行 365.256 天的過程中相對於地球保持穩定且相對“固定”的軌道。 這是一個很好的折衷方案:地球距離足夠遠,不會干擾觀測,但距離足夠近,與航天器的通信可以相對較快。 而且由於這艘船不是從白天到黑夜都在每個軌道上飛行,所以它的溫度相對穩定。 它所需要的只是一個非常非常好的遮陽傘。

“四個 [layers of sunshield] 可能會完成這項工作。 五號給了我們一點保險單。 我想說它比那更複雜,但實際上根本不是這樣。”
——Keith Parrish,美國宇航局戈達德太空飛行中心

“為了達到科學目標,工程被推到了極致,”說 亞歷山德拉洛克伍德,項目科學家 太空望遠鏡科學研究所,它操作 Webb。 “它是專門設計的,因為他們想做密集的紅外科學。”

在許多效果圖中,它使一艘看起來很笨拙的船,望遠鏡組件,故意向太空開放以防止熱量積聚,連接到它的銀色遮陽罩上,大約 14 米寬和 21 米長,有五層絕緣膜來保持望遠鏡在幾乎完全黑暗中。

從陽光照射的一側看,遮陽罩大致類似於風箏。 工程師們發現,細長的形狀將是讓韋伯的光學元件遠離太陽的最有效方法。 他們考慮了一個正方形或八邊形,但最終版本覆蓋了更多的面積而沒有更多的質量。

“它的大小不會超過滿足科學視野要求所需的大小,結果就是獨特的風箏形狀,”Parrish 說。 “比現在更大,只會讓一切變得更複雜。”

盾牌的五層由 卡普頓 E,一種塑料薄膜,由杜邦公司於 1960 年代首次開發,用於航天器絕緣和印刷電路。 這些層塗有鋁和矽。 每根都比人的頭髮細。 但工程師們表示,它們一起在阻擋太陽熱量方面非常有效。 第一層將其強度降低了大約一個數量級(或 90%),第二層去除了另一個數量級,依此類推。 這些層從不接觸,當一個人離開防護罩的中心時,它們會稍微張開,這樣熱量就會從側面逸出。

結果:盾牌陽光面的溫度接近 360 K (87 °C),但在黑暗面,溫度低於最重要的 40 K (-233 °C)。 或者,換一種說法:超過 200 千瓦的 太陽能 落在第一層,但只有 23 毫瓦一直到第五層。

為什麼是五層? 有很多計算機建模,但很難在飛行前模擬防護罩的熱行為。 “四個人可能會完成這項工作。 五號給了我們一點保險單,”帕里什說。 “我想說它比這更複雜,但實際上根本不是這樣。”

的能力 自然冷卻望遠鏡,在 1980 年代首次計算為可能,是一項重大進步。 這意味著韋伯將不必依賴笨重、複雜的低溫設備,因為製冷劑會洩漏並縮短任務。 在它的四種主要科學儀器中,只有一種稱為 MIRI 的中紅外探測器需要冷卻到 6.7 K。它由多級低溫冷卻器冷卻,該冷卻器通過脈衝管泵送冷氦氣,從儀器的傳感器中吸走熱量。 它使用 焦耳-湯姆遜效應,通過 1 毫米閥門迫使氦氣膨脹,從而降低氦氣的溫度。 壓力來自兩個活塞——低溫冷卻器系統唯一的運動部件——朝向相反的方向,因此它們的運動將相互抵消並且不會干擾觀察。

建造望遠鏡被證明是極其複雜的。 它落後了數年,而其預算卻激增至 100 億美元。 當 Kapton 撕裂和緊固件鬆動時,遮陽罩需要經過長時間的重新設計。

“我們只是咬得比我們能咀嚼的多,”帕里什現在說。 “這正是 NASA 應該做的。 它應該挑戰極限。 問題是最終韋伯變得太大而不能倒閉。”

但它最終被部署,發送數據,令工程師感到驚訝,他們預計在它開始運行時至少會出現一些故障。 基思·帕里什(Keith Parrish)的工作已經完成,正在戈達德從事其他項目。

“我認為韋伯,”他說,“只是先進文明的偉大產物。”

更新:2022 年 7 月 26 日: 更新了這個故事以澄清拉格朗日點 L2 的引力並沒有“抵消”(正如故事之前所說的那樣),但實際上增加了保持 L2 上的物體以完全相同的軌道周期運行,在這種情況下,地球——即 365.256 天。

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