Milionowa podróż z Kosmicznego Teleskopu Webba do L2 jest prawie ukończona

W poniedziałek 24 stycznia inżynierowie planują wydanie instrukcji NASA’s Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Aby zakończyć ostateczną korektę wypalenia, umieściłoby go na pożądanej orbicie, około miliona mil od Ziemi, w tak zwanym punkcie Lagrange’a II Słońce-Ziemia, lub w skrócie „L2”.

Matematycznie punkty Lagrange’a są rozwiązaniami tak zwanego „problemu trzech ograniczonych ciał”. Jakiekolwiek dwa masywne i grawitacyjnie znaczące obiekty w kosmosie generują pięć określonych lokalizacji – punktów Lagrange’a – gdzie siły grawitacyjne i odśrodkowe ruchu trzeciego, małego obiektu, takiego jak statek kosmiczny, są w równowadze. Punkty Lagrange’a są oznaczone literami L1 do L5 i są poprzedzone dwiema nazwami ciał grawitacyjnych, które generują (najpierw większe).

Punkty Lagrange’a związane z układem Słońca i Ziemi. Punkty Lagrange’a to pozycje w kosmosie, w których siły grawitacyjne układu dwóch ciał, takiego jak Słońce i Ziemia, równoważą się, umożliwiając statkowi kosmicznemu pozostanie w miejscu przy zmniejszonym zużyciu paliwa. Zdjęcie zawiera małą ikonę przedstawiającą statek kosmiczny NASA WMAP krążący wokół L2, który znajduje się około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. Źródło zdjęcia: Zespół naukowy NASA/WMAP

Chociaż wszystkie punkty Lagrange’a są punktami równowagi grawitacyjnej, nie wszystkie z nich są całkowicie stabilne. L1, L2 i L3 są miejscami „metastabilnymi” z gradientami grawitacyjnymi w kształcie siodła, takimi jak punkt w połowie drogi między dwoma pikami, który jest nieco wyższy, gdzie niski, stabilny punkt znajduje się między dwoma pikami, ale nadal jest punktem wysokim i niestabilnym w stosunku do dolin po obu stronach grzbietu. L4 i L5 są stabilne, ponieważ każde miejsce przypomina płytkie zagłębienie lub misę nad środkiem długiej, długiej grani lub pagórka.

Po co więc wysyłać Webba na orbitę L2 Słońce-Ziemia? Ponieważ jest to idealne miejsce na obserwatorium na podczerwień. W Sun-Earth L2 Słońce i Ziemia (a także Księżyc) zawsze znajdują się po jednej stronie przestrzeni, co pozwala Webbowi na stałe zacienienie optyki i instrumentów teleskopu. To umożliwia im ochłodzenie się ze względu na ich czułość na podczerwień, a mimo to dotarcie do niemal połowy nieba w dowolnym momencie w celu obserwacji. (Zobacz zamieszczony poniżej film.) Aby zobaczyć dowolny punkt na niebie w czasie, wystarczy kilka miesięcy czekać na podróż dalej wokół Słońca i odsłonięcie większej części nieba, które wcześniej znajdowało się „za” słońcem.

Co więcej, w punkcie L2 Ziemia jest na tyle daleko, że emitowane przez nią ciepło o temperaturze pokojowej nie ogrzewa Webba. A ponieważ L2 jest miejscem równowagi grawitacyjnej, Webb może z łatwością utrzymać tam swoją orbitę. Zauważ, że o wiele łatwiej, łatwiej i wydajniej jest obracać się wokół L2 niż precyzyjnie osadzać w L2. Co więcej, obracając się po orbicie zamiast znajdować się dokładnie w L2, Webb nigdy nie zaćmi Słońca, co jest niezbędne dla stabilności termicznej Webba i wytwarzania energii. W rzeczywistości orbita Webba wokół L2 jest znacznie większa niż orbita Księżyca wokół Ziemi! L2 nadaje się również do stałego utrzymywania kontaktu z centrum operacyjnym misji na ziemi przez sieć kosmiczna. Inne obserwatoria kosmiczne, w tym WMAPi Herschel, I deska Orbita Słońca i Ziemi L2 z tych samych powodów.

Ogólnie rzecz biorąc, doprowadzenie statku kosmicznego do Sun-Earth L2 jest dość proste, ale inżynieria Webba dodała zmarszczkę. Karen Rishon, główny inżynier dynamiki lotu w Webb, opisuje przejście z Webba do L2 i utrzymanie go tam:

„Pomyśl o wyrzuceniu piłki w powietrze tak mocno, jak to możliwe; zaczyna się bardzo szybko, ale zwalnia, gdy grawitacja ciągnie ją z powrotem w kierunku ziemi, ostatecznie zatrzymując się na jej szczycie, a następnie z powrotem na ziemię. Podobnie jak twoja ręka podająca piłkę energii, by wznieść się kilka metrów nad powierzchnię ziemi. Rakieta Ariane 5 dała Webbowi energię do przebycia dużej odległości 1,1 miliona km, ale za mało energii, aby uciec przed grawitacją Ziemi. Podobnie jak piłka, Webb zwalnia, a jeśli na to pozwolimy, w końcu zatrzyma się i opadnie w kierunku Ziemi. W przeciwieństwie do kuli, nie powróci Webb na powierzchnię Ziemi, ale będzie poruszał się po bardzo eliptycznej orbicie, z perygeum 300 km i apogeum 1 300 000 km. Używając ciągu co trzy tygodnie z małych silników rakietowych na pokładzie Webba, będzie on krążył wokół L2 i okrążał jego halo raz na sześć miesięcy.

„Więc dlaczego Ariane nie dała Webbowi więcej energii i dlaczego Webb potrzebuje korekty kursu? Jeśli Ariane dała Webbowi zbyt dużo energii, aby dostać się do L2, byłoby zbyt szybko, gdy tam dotarł i przekroczyłby wymaganą naukę Webb musiałby wykonać duży manewr hamowania, pchając się w stronę słońca, aby zwolnić. w kierunku słońca, potencjalnie wystawiając optykę i instrumenty teleskopu bezpośrednio na słońce, co powoduje przegrzanie struktur i dosłownie topi klej, który je łączy. z wielu powodów i nigdy nie była opcją projektową.

„Tak więc Webb wymagał wystarczającej mocy rakiety Ariane, aby mieć pewność, że nigdy nie będziemy musieli wykonywać wstecznego wypalenia, ale zawsze będzie potrzebował wypalenia z obserwatorium, aby dokładnie wyrównać różnicę i umieścić ją na pożądanej orbicie. tak dokładnie, że nasze pierwsze spalenie A najbardziej niebezpieczne było mniejsze, niż musieliśmy planować i projektować, pozostawiając więcej paliwa na dłuższą misję!”

— Karen Rishon, główny inżynier Webb Flight Dynamics, NASA Goddard Space Flight Center

Szczegółową analizę orbity Webb można znaleźć tutaj.