El elemento del telescopio óptico ( OTE ) es una subsección del telescopio espacial James Webb , un gran telescopio espacial infrarrojo programado para ser lanzado en noviembre de 2021. [1] El OTE consta de algunas partes importantes de los telescopios, incluido el espejo principal, el espejos secundarios, el marco y los controles para soportar esos espejos, y varios sistemas térmicos y de otro tipo para apoyar el funcionamiento del telescopio. [1] Las otras dos secciones principales del JWST son el Módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM) y el Elemento de la nave espacial (SE), que incluye el Bus de la nave espacial y el Sunshield . [2]La OTE recoge la luz y la envía a los instrumentos científicos del ISIM. [1] La OTE ha sido comparada con ser el " ojo " del telescopio y el backplane del mismo con ser la " columna vertebral ". [3]
El espejo primario es un conjunto de azulejos de 18 elementos hexagonales , cada uno de 1,32 metros de plano a plano. Esta combinación produce una apertura efectiva de 6,5 metros y una superficie colectora total de 27 metros cuadrados. [4] Los espejos secundarios completan la óptica de imagen anastigmática f / 20 . [5] El sistema completo proporciona un número f / efectivo de f /16.67 y una distancia focal de 131.4 metros. [5] [6] El telescopio principal de tres espejos es un diseño de tipo Korsch , [6] y se alimenta al subsistema de óptica de popa (parte de OTE), que a su vez alimenta al módulo de instrumentos de ciencia integrada que contiene la ciencia instrumentos y sensor de guía fina.
Los componentes de OTE fueron integrados por L3Harris Technologies para formar el sistema final. [7]
Descripción general
El OTE combina una gran cantidad de componentes ópticos y estructurales del telescopio espacial James Webb, incluido el espejo principal. [8] También tiene el espejo de dirección fino, que proporciona esa orientación precisa final, y funciona en conjunto con el sensor de guía fina y otros sistemas de control y sensores en el Bus de la nave espacial . [8]
Los segmentos del espejo principal se alinean de forma aproximada mediante un algoritmo de fase aproximada . [8] Luego, para una alineación más fina, se utilizan dispositivos ópticos especiales dentro de NIRCam para realizar una técnica de recuperación de fase, para lograr un error de frente de onda diseñado de menos de 150 nm. [8] Para funcionar correctamente como espejo de enfoque, los 18 segmentos del espejo principal deben estar alineados muy de cerca para que funcionen como uno solo. [8] Esto debe hacerse en el espacio exterior, por lo que se requieren pruebas exhaustivas en la Tierra para garantizar que funcione correctamente. [8] Para alinear cada segmento de espejo, se monta en seis actuadores que pueden ajustar ese segmento en pasos de 5 nm. [8] Una de las razones por las que el espejo se dividió en segmentos es que reduce el peso, porque el peso de un espejo está relacionado con su tamaño, que es también una de las razones por las que se eligió el berilio como material del espejo debido a su bajo peso. [8] Aunque en el entorno esencialmente ingrávido del espacio, el espejo apenas pesará, debe ser muy rígido para mantener su forma. [8] El subsistema de control y detección de frente de onda está diseñado para hacer que el espejo primario de 18 segmentos se comporte como un espejo monolítico (de una sola pieza), y lo hace en parte mediante la detección activa y la corrección de errores. [9] Hay nueve procesos de alineación de distancia por los que pasa el telescopio para lograr esto. [9] Otro aspecto importante de los ajustes es que el ensamblaje de la placa posterior del espejo primario es estable. [10] El ensamblaje del backplane está hecho de compuesto de grafito, invar y titanio . [10]
El ADIR, radiador infrarrojo desplegable en popa es un radiador detrás del espejo principal que ayuda a mantener fresco el telescopio. [11] Hay dos ADIR y están hechos de aluminio de alta pureza. [11] Hay una capa negra especial en los radiadores que les ayuda a emitir calor al espacio. [12]
Algunas partes importantes de la OTE según la NASA: [1]
- Espejo primario (18 segmentos)
- Espejo secundario (74 cm de diámetro)
- Espejo terciario (tercero) (en el subsistema de óptica de popa )
- Espejo de dirección fino (en el subsistema de óptica de popa )
- Estructura del telescopio
- ensamblaje de la placa posterior del espejo primario
- accesorio de soporte de la placa posterior principal (BSF)
- estructura de soporte de espejo secundario
- matriz de torre desplegable
- Subsistema de gestión térmica
- Radiador ISIM desplegable en popa (ADIR)
- Detección y control de frente de onda
El subsistema de óptica de popa incluye el espejo terciario y el espejo de dirección fino. [1] Una de las tareas del espejo de dirección Fine es la estabilización de imagen. [5]
El berilio metálico se eligió por varias razones, incluido el peso, pero también por su coeficiente de expansión térmica a baja temperatura en comparación con el vidrio. [5] Otros telescopios infrarrojos que han utilizado espejos de berilio incluyen IRAS , COBE y Spitzer . [5] El modelo de demostración de berilio en subescala (SBMD) se probó con éxito a temperaturas criogénicas, y una de las preocupaciones fue la rugosidad de la superficie a números kelvin bajos. [5] Los espejos de berilio están recubiertos con una capa muy fina de oro para reflejar la luz infrarroja. [6] Hay 18 segmentos hexagonales que se agrupan para crear un solo espejo con un diámetro total de 6,5 metros (650 cm, ~ 7,1 yardas, ~ 256 pulgadas). [6]
DTA
En la base de la OTE hay un componente estructural crítico que conecta la OTE con el Bus de la nave espacial , llamado Ensamblaje de torre desplegable (DTA). [13] Debe expandirse para permitir que el Sunshield (JWST) se extienda para permitir que el espacio entre sus cinco capas se expanda. [13] El segmento Sunshield tiene múltiples componentes, incluidos seis esparcidores en su borde exterior para extender las capas en sus seis extremos.
Durante el lanzamiento, se reduce, pero en el momento adecuado en el espacio, el DTA debe extenderse. [13] La estructura DTA extendida permite que las capas de protección solar se extiendan por completo. [13] El DTA también debe aislar térmicamente la sección fría del OTE del bus de la nave espacial caliente. [13] El Sunshield protegerá a la OTE de la luz solar directa y reducirá la radiación térmica que la golpea, pero otro aspecto es la conexión física de la OTE con el resto de la nave espacial. [13] (ver Conducción térmica y transferencia de calor ) Mientras que el parasol evita que el telescopio se caliente a una distancia de un fuego (cerca, no dentro), el DTA tiene que manejar el flujo de calor como el mango de una sartén podría calentarse cuando está en la estufa si no está lo suficientemente aislado.
La forma en que se extiende el DTA es que tiene dos tubos telescópicos que pueden deslizarse entre sí sobre rodillos. [13] Hay un tubo interior y un tubo exterior. [13] El DTA se extiende mediante un motor eléctrico que hace girar una tuerca de husillo de bolas que separa los dos tubos. [13] Cuando el DTA está completamente desplegado, tiene 10 pies de largo (~ 3 metros). [14] Los tubos DTA están hechos de fibra de carbono compuesta de grafito y se pretende que puedan sobrevivir a las condiciones en el espacio. [15]
Cronología
- Diciembre de 2001: se publican los resultados finales de la prueba SBMD. [dieciséis]
- Abril de 2012: se completa la estructura de soporte del backplane del espejo primario. [17]
- Noviembre de 2015: primer segmento de espejo primario instalado. [18]
- Diciembre de 2015: la mitad de los segmentos de espejos primarios instalados. [19]
- 3 de febrero de 2016: último de los 18 segmentos de espejo primario instalados. [20]
- 3 de marzo de 2016: espejo secundario instalado [21]
- Marzo de 2016: subsistema de óptica de popa instalado. [22]
- Mayo de 2016: OTE e ISIM se fusionan en OTIS, que es la combinación de estas dos regiones. [23]
Bancos de pruebas de desarrollo
Lograr un espejo principal funcional se consideró uno de los mayores desafíos del desarrollo de JWST. [8] Parte del desarrollo de JWST incluyó la validación y prueba de JWST en varios bancos de pruebas de diferentes funciones y tamaños. [24]
Algunos tipos de elementos de desarrollo incluyen pioneros , bancos de pruebas y unidades de prueba de ingeniería . [25] A veces, un solo elemento se puede utilizar para diferentes funciones, o puede que no sea un elemento creado físicamente en absoluto, sino más bien una simulación de software. [25] El telescopio espacial NEXUS era un telescopio espacial completo, pero esencialmente un JWST reducido pero con una serie de cambios que incluían solo tres segmentos de espejo con uno plegable para un espejo principal de 2,8 metros de diámetro. [26] Era más liviano, por lo que se imaginó que podría ser lanzado ya en 2004 en un cohete de lanzamiento Delta 2. [26] El diseño se canceló a finales de 2000. [27] En ese momento NGST / JWST todavía era un diseño de 8 metros (50 m2), unos años más tarde esto se redujo finalmente a los 25 m2 (6,5 m) diseño. [28]
Pathfinder de OTE
Una parte del desarrollo de JWST fue la producción del Optical Telescope Element Pathfinder. [29] El buscador de caminos de OTE utiliza dos segmentos de espejo adicionales y un espejo secundario adicional, y junta varias estructuras para permitir la prueba de varios aspectos de la sección, incluido el Equipo de soporte en tierra. [29] Esto admite que el GSE se utilice en el propio JWST más adelante y permite probar la integración del espejo. [29] Pathfinder OTE como 12 en lugar de 18 celdas en comparación con el telescopio completo, pero incluye una prueba de la estructura del backplane. [30]
Pruebas / modelos adicionales
Hay muchos artículos de prueba y demostradores de desarrollo para la creación de JWST. [25] Algunos de los más importantes fueron los primeros demostradores, que demostraron que muchas de las tecnologías fundamentales de JWST eran posibles. [25] Otros artículos de prueba son importantes para la mitigación de riesgos, esencialmente reduciendo el riesgo general del programa al practicar en algo diferente a la nave espacial de vuelo real.
Otro banco de pruebas fue una versión de funcionamiento a escala 1/6 del espejo principal y la tecnología, utilizada especialmente para garantizar que muchos segmentos puedan funcionar como uno solo. [9] Otro banco de pruebas de óptica se llama JOST, que significa JWST Optical Simulation Testbed. [24]
El modelo de demostración de subescala de berilio (SBMD) fue fabricado y probado en 2001 y demostró tecnologías habilitadoras para lo que pronto se bautizó como telescopio espacial James Webb, anteriormente el telescopio espacial de próxima generación (NGST). [16] El SBMD era un espejo de medio metro de diámetro hecho de berilio motorizado. [16] El peso del espejo se redujo luego a través de un proceso de fabricación de espejos llamado "peso ligero", donde el material se elimina sin alterar su capacidad reflectante, y en este caso se eliminó el 90% de la masa SBMD. [16] Luego se montó rígidamente con titanio y se sometió a varias pruebas. [16] Esto incluyó congelarlo a las bajas temperaturas requeridas y ver cómo se comportaba óptica y físicamente. [16] Las pruebas se realizaron con el Optical Testing System (también conocido como OTS) que fue creado específicamente para probar el SBMD. [16] [31] El SBMD tenía que cumplir con los requisitos de un espejo espacial, y estas lecciones fueron importantes para el desarrollo del JWST. [32] Las pruebas se llevaron a cabo en la Instalación de Calibración de Rayos X (XRCF) en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) en el estado estadounidense de Alabama. [16] [31]
Se tuvo que desarrollar el Sistema de Prueba Óptica (OTS) para probar el SBMD (el prototipo de espejo NGST) en condiciones de vacío criogénico. [31] El OTS incluía un sensor WaveScope Shack-Hartmann y un instrumento de medición de distancia Leica Disto Pro. [31]
Algunos bancos de pruebas de tecnología JWST, Pathfinders, etc .:
- OTE Pathfinder . [29]
- TBT (banco de pruebas a escala 1/6) [24]
- JOST ( J WST O ptical S imulation T estbed) [9] [24]
- SBMD (Demostrador del modelo de berilio en subescala) [16]
- OTS (sistema de prueba para SBMD) [31]
- ITM (este es un modelo de software) [24]
- OSIM ( O TE Sim ulator) [33]
- Analizador de imagen de haz [33]
Otro programa relacionado fue el programa Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD). [34] Los resultados de AMSD se utilizaron en la construcción de espejos de berilio. [34]
Diagrama 1
Galería
Ver también
- Módulo de instrumentos de ciencia integrada (otra sección importante de JWST)
- Espejo primario
- Espejo secundario
- Espejo segmentado
- Cronología del telescopio espacial James Webb
- Criogenia
Referencias
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Cada uno de los 18 segmentos de espejo de forma hexagonal tiene 1,32 metros (4,3 pies) de diámetro, de plano a plano.
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enlaces externos
- enlace directo al diagrama
- Óptica y fotónica: innovaciones ópticas en el telescopio espacial James Webb por P. Daukantas (noviembre de 2011)
- Reddit AMA con administrador OTE