Широкоугольная и планетарная камера 2

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Широкоугольная и планетарная камера 2
англ. Wide Field and Planetary Camera 2, WFPC2, WFPC-2, WF/PC2, WF/PC-2
Производитель Лаборатория реактивного движения
Год выпуска 1993
Матрица ПЗС
Разрешение 4 по 800×800

Широкоугольная и планетарная камера 2 (англ. Wide Field and Planetary Camera 2, WFPC2, WFPC-2, WF/PC2, WF/PC-2) — один из основных инструментов, эксплуатировавшийся на космическом телескопе «Хаббл» с 1993 по 2009 год[1]. Камера была изготовлена «Лабораторией реактивного движения» (США). В 1993 году в ходе первой миссии обслуживания STS-61 камера была установлена вместо оригинальной «Широкоугольной и планетарной камеры», которая имела производственный дефект и не могла выдать запланированные результаты. За время эксплуатации на борту комического телескопа «Хаббл» с помощью «Широкоугольной и планетарной камеры 2» было сделано большое количество изображений объектов, ранее недоступных для исследователей. Среди таких изображений Hubble Deep Field (1995 год), туманность Песочные часы (1996 год), туманность Яйцо (1996 год), Hubble Deep Field South (1998 год) и другие. Самой известной фотографией, сделанной с помощью «Широкоугольной и планетарной камеры 2» является «Столпы творения» (1995 год). В 2009 году во время экспедиции обслуживания STS-125 «Широкоугольная и планетарная камера 2» была заменена на «Широкоугольную камеру 3». WFPC-2 была доставлена на Землю и в конце концов заняла место среди экспонатов Национального музея воздухоплавания и астронавтики Смитсоновского института в Вашингтоне, США.

За 15 лет эксплуатации помощью «Широкоугольной и планетарной камеры 2» было сделано более 135 000 наблюдений. На основе данных, полученных WFPC-2 к концу эксплуатации камеры было написано более 3500 научных статей, а в следующем десятилетии ещё более 2000[2].

Стоимость разработки и изготовления камеры составила 101 млн. долларов США[3].

WFPC-2 создал большинство потрясающих изображений, которые были опубликованы в качестве изображений для широкой публики на протяжении многих лет. Его разрешение и превосходное качество являются одними из причин того, что WFPC-2 был наиболее часто используемым инструментом в первые 13 лет жизни Хаббла.
Европейское космическое агентство[4]
 
Изображения галактики М 100 (NGC 4321), сделанные WFPC1 (слева) и WFPC-2 (справа)

Научные цели камеры

Основной научной задачей WFPC-2 было предоставление фотометрически и геометрически точных изображений астрономических объектов в относительно широком поле зрения с высоким угловым разрешением в широком диапазоне длин волн. WFPC-2 соответствовал или превосходил фотометрические характеристики WFPC в большинстве задач. Номинально требование составляло 1 % фотометрической точности для всех фильтров, что требовало, чтобы относительный отклик во всех 800x800 пикселей на ПЗС был известен с точностью 1 % для изображений с плоским полем, полученных через каждый из 48 научных фильтров. Успех прибора зависел от стабильности всех элементов оптической цепи, особенно ПЗС-матриц, фильтров и калибровочного канала. Возможности WFPC-2 позволяли проникать глубже, чем наземные снимки и различать структуры меньшего масштаба с более высокой надежностью и и более широким динамическим диапазоном[5].

Техническое описание

Широкоугольная и планетарная камера 2 представляла собой призму размером 2,2×0,8×2,0 м и массой 281 кг, монтируемую в фокальной плоскости основного зеркала телескопа «Хаббл». Поле зрения камеры составляло 2,7′. Диапазон длин волн от 120 до 1000 нм.

Поле зрения WFPC-2 было разделено и распределено по четырём камерам с помощью фиксированного четырёхгранного пирамидального зеркала вблизи фокальной плоскости телескопа «Хаббл». Три из них — широкоугольные камеры с диафрагменным числом F/ 12,9, которые обозначаются WF2, WF3 и WF4. Четвёртая — планетарная камера с диафрагменным числом F/28.3 — PC1. Таким образом, в WFPC-2 использовалось четыре комплекта релейной оптики и ПЗС-датчиков. Это решение отличалось от WFPC, в которой использовалось восемь комплектов и два канала. Так же, разработчики отказались от механического механизма вращения пирамидального зеркала, а все четыре камеры монтировались в местах которые в WFPC были заняты широкопольными ретрансляторами камер[5].

Разработка

WFPC-2 была разработана в Лаборатории реактивного движения группой под руководством англ. J.T. Trauger: англ. C.J. Burrows, англ. J. Clarke, англ. D. Crisp, англ. J. Gallagher, англ. R.E. Griffiths, англ. J.J. Hester, англ. J. Hoessel, англ. J. Holtzman, англ. J. Mould, англ. J.A. Westphal[5].

Телескоп «Хаббл» спроектирован таким образом, что наблюдения могут производить сразу два прибора. Например, во время работы Спектрографа тусклых объектов одновременно наблюдения производила камера WFPC-2[6].

Важным улучшением по сравнению с WFPC1 была разработка нового молекулярного адсорбера, который защищал ПЗС-матрицы от загрязнений. Перед разработчиками Молекулярного адсорбера для WFPC-2 была поставлена задача добиться снижения потери эффективности ПЗС-матриц в полосе пропускания 1470 Å менее 1 % за 30 дней. Для сравнения у WFPC1 этот показатель составлял 50 % в течение 5 часов. Снижение эффективности ПЗС-матриц происходило за счёт накопления молекулярных загрязнений на поверхности охлаждённых ПЗС-матриц, образующихся из газов, выделяемых системами телескопа и внешней атмосферы. Система вентиляционных отверстий в корпусе не решала проблему, а усугубляло её: вокруг телескопа могло образоваться облако газов, которое приводило к загрязнению оптические приборов. Для решения задачи было выбрано два пути: применение матриц, работающих при более высоких температурах (от −50 до −100°С) и разработка нового молекулярного адсорбера, который снижал загрязнение в 10 раз[7].

История

Проект космического телескопа «Хаббл» изначально предполагал возможность ремонта и замены части оборудования. Среди заменяемых научных инструментов была Широкоугольная и планетарная камера (WFPC). Так как, по первоначальным планам телескоп доложен был быть запущен в космос в 1983 году, то замена камеры планировалась во время первой миссии обслуживания.

В 1985 году научный сотрудник программы «Хабл» предложил создать второй экземпляр Широкоугольной и планетарной камеры[8].

Это была мантра: Мы не можем допустить, чтобы «Хаббл» ослеп, поэтому давайте создадим точную копию WFPC[8].

20 мая 1990 года с борта «Хаббла» поступили первые фотографии, которые продемонстрировали вскрывшейся дефект главного зеркала телескопа. 27 июня 1990 года представители НАСА провели пресс-конференцию, на которой показали фотографии и рассказали о вскрывшемся дефекте[8].

Для этого JPL изготавливала Широкоугольную и планетарную камеру 2 (WFPC-2). Однако запуск телескопа неоднократно переносился и был произведён 24 апреля 1990 года. После запуска обнаружилось множество дефектов, среди которых главным было нарушение формы главного зеркала. Возвращение телескопа на Землю для ремонта было признано невозможным. Замена дефектного зеркала не предусматривалась конструкцией телескопа. И в качестве решения возникших проблем было принято решение ввести в состав оборудования дополнительные элементы, компенсирующие дефект главного зеркала, и модернизировать приборы, планировавшиеся к плановой замене. Среди дорабатываемых приборов была камера WFPC-2[9].

Было принято решение изменить форму вторичных зеркал в малых телескопах WFPC-2[9]. В течение двух лет в камеру вносились необходимые изменения, которые должны были компенсировать недостатки главного зеркала[10].

Тренировка установки Широкоугольной и планетарной камеры 2 в гидробассейне 5 мая 1993 года

Для проведения первой миссии обслуживания «Хаббла» был запланирован полёт шаттла «Индевор» STS-61. Программа полёта и весь комплекс запланированных работ требовал от астронавтов значительной подготовки. К примеру, на отработку действий в открытом космосе астронавтами было использовано 400 часов на тренировку в гидробассейне в Центре космических полётов имени Джорджа Маршалла. Кроме этого отдельно проводились тренировки в термобарокамере и с использованием виртуальной реальности[11]. Стори Масгрейв отмечал:

За мои 26 лет в НАСА я никогда ещё не видел столь детального, энергичного подхода, попыток вскрыть все неожиданности, предусмотреть все возможности, все опасности, которые могут случится в ходе полёта.Масгрейв, Стори[11]

Журналисты отмечали, что никто из разработчиков и участников готовящейся миссии обслуживания не верил, что в ходе полёта будут выполнены все семь основных и пять второстепенных задач. Считалось, что полёт будет успешным если удастся хотя бы заменить солнечные батареи, Широкоугольную и планетарную камеру 2 и установить блок корректирующей оптики. Предполагалось, что через полгода-год будет произведён второй полёт, который позволит выполнить всё, что не удалось сделать в ходе миссии STS-61[11].

1 июня 1993 года JPL отправила готовую камеру WFPC-2 из Калифорнии в Мериленд, в Центр космических полётов имени Годдарда, куда прибор прибыл 4 июня[10]. 6 августа, в числе прочего оборудования, WPFC-2 на барже для перевозки центрально бака был отправлен из Мириленда на мыс Конаверал. После прибытия 11 августа начались комплексные испытания обородования[11].

9 декабря 1993 года шаттл «Индевор» стартовал с мыса Канаверал. Самася сложная и самая дорогая на момент старта миссия началась[11].


Установка камеры в ходе STS-61

Установка камеры на борт «Хаббла» была произведена в ходе экспедиции обслуживания STS-61[3].

Во время 6-х суток полёта шаттла «Индевор» (в ночь с 6 на 7 декабря 1993 года) Стори Масгрейв (специалист полёта 4, командир полезной нагрузки) и Джеффри Алан Хоффман (специалист полёта 3) совершили выход в открытый космос для замены Широкоугольной и планетарной камеры 1 и двух магнетометров. Это был третий выход в рамках миссии и второй для данной пары астронавтов в рамках STS-61. По графику выхода в космос для замены камеры было запланировано 4 часа 15 минут. Ещё 1 час отводился на замену магнетометров[3].

В 22:33 EST была разгерметизирована шлюзовая камера и астронавты вышли в шлюзовой отсек. Джеффри Хоффман закрепился на якоре манипулятора «Канадарм», а Стори Масгрейв воспользовался переносным якорем, установленным в нижней части телескопа. Извлечение камеры WFPC из корпуса «Хаббла» производилось на ночной стороне 73-го витка. Эта предосторожность была вызвана опасностью повредить научное оборудование телескопа солнечным светом. В результате единственными источниками света оставались фонарики на скафандрах и лампа, освещавшая рабочую зону через иллюминатор «Индевора». Демонтаж камеры WFPC прошёл легко: Хоффман взялся за ручки на корпусе, оператор манипулятора «Канадарм» швейцарский астронавт Клод Николье (специалист полёта 2) плавно отвёл манипулятор и старая камера вышла из корпуса. Стори Масгрейв контролировал процесс извлечения и удерживал двухметровый прибор от колебаний. Снятая камера была закреплена на временной опоре в грузовом отсеке шаттла[3].

В 00:24 EST (наступило 7 декабря) WFPC-2 была извлечена из транспортного контейнера. Джеффри Хоффман прокомментировал операцию:

О, посмотрите на этого бэби. Это великолепный, потрясающий новый вифпик[12]! С ним мы увидим отличные картинки.Джеффри Алан Хоффман[3]

В 01:06 EST WFPC-2 был установлен в корпус «Хаббла». Установка так же производилась на ночном отрезке витка. Весь процесс подготовки и монтажа камеры прошёл настолько легко, что астронавты справились на 45 минут раньше графика. Через 35 минут из ЦУП поступило подтверждение успешности монтажа новой камеры. Неожиданности возникли при замене магнитометров. При демонтаже старых магнитометров возникла опасность выделения газов, опасных для оптики телескопа. В конце концов, все задачи были выполнены и в 05:22 EST астронавты завершили выход в открытый космос[3].

Тестирование новой камеры в составе телескопа началось в 05:40, а первый тестовый снимок был передан на Землю в 07:35 EST. Завершив установку Широкоугольной и планетарной камеры 2 экипаж «Индевора» выполнил минимальный лимит задач миссии STS-61. Успешное завершение смены камер было отмечено проигрыванием композиции «Теперь я вижу хорошо» («англ. I Can See Clearly Now») американского певца Джонни Нэша в качестве сигнала побудки экипажа в седьмой день полёта[3].

В целом миссия STS-61 была признана успешной: все 7 основных и 5 второстепенных задач по ремонту и обслуживанию телескопа «Хаббл» были выполнены[3].

Фотографии галактики М100, последовательно сделанные тремя камерами: WFPC, WFPC-2 и WFC

Демонтаж и возвращение на Землю в ходе STS-125

Замена камеры WFPC-2 была внесена в программу сервисной миссии SMT-4[13].

Миссия обслуживания SM-4 была последней из запланированных не для полёта к МКС. После катастрофы шаттла «Колумбия» 1 апреля 2003 года сервисная миссия была отменена: это объяснялось невозможностью в полёте проверить состояние плиток теплозащитного покрытия. Ситуация изменилась после назначения на должность администратора НАСА Майкла Гриффина[13]. Старт экспедиции обслуживания STS-125 был запланирован на 14 октября 2008 года, однако за две недели до статра было принято решение отменить миссию: 27 сентября на борту «Хаббла» произошол сбой, который прервал поступление научной информации с борта телескопа. Запуск шаттла «Атлантис» был перенесён на неопределённый срок[13].

11 мая 2009 года с мыса Канаверал стартовал шаттл «Атлантис» (STS-125) по программе сервисного обслуживания SMT-4[14].

Судьба после возвращения на Землю

С мая 2010 года WFPC-2 выставлялась в Лаборатории реактивного движения в Калифорнии. В октябре камера выставлялась в Денверовском музее природы и науки[англ.], а затем в Центр космических полетов имени Годдарда в Мэриленде. В конце концов Широкоугольная и планетарная камера 2 заняла место в постоянной экспозиции Национального музея воздухоплавания и астронавтики Смитсоновского института в Вашингтоне[15].

Оценки прибора

Автор журнала «Новости космонавтики» Игорь Лисов в 2009 году дал оценку пятнадцатилетней работе Широкоугольной и планетарной камере 2:

Эта камера проработала на борту более 15 лет и, в сущности, спасла «Хаббл», когда в последние годы более новые приборы отказывали один за другим[14]

Куратор Музея планетологии Денверовского музея природы и науки Стивен Ли:

Широкоугольная и планетарная камера 2 с точки зрения космической науки стоит в одном ряду с телескопом Галилея и яблоком Ньютона.[15]

Примечания

  1. ↑ WFPC2 : [англ.] // Space Telescope Science Institute : электр. изд..
  2. ↑ The Incredible Story of “The Camera That Saved Hubble” : [англ.] // HOMETECHNOLOGY NEWS : электр. изд.. — 2020. — 27 April.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 Лисов, И. Ремонт Космического телескопа имени Хаббла (окончание) : [рус.] // Новости космонавтики : журн. — 1993. — № 25 (62). — С. 9–28.
  4. ↑ WFPC2 - WIDE FIELD PLANETARY CAMERA 2 : [англ.] : [арх. 11 ноября 2022] // sci.esa.int : электр. изд.. — 2020. — 11 September.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 WIDE FIELD PLANETARY CAMERA 2 for HST : [англ.] : [арх. 22 ноября 2022] // Planetary Science Institute : электр. изд..
  6. ↑ Opereting Hubble : [англ.] : [арх. 3 ноября 2022] // ESA : электр. изд.. — 2019. — 1 September.
  7. ↑ Barengoltz, Jack. Wide Field/Planetary Camera 2 (WFPC2)Molecular adsorber : [англ.] : [арх. 10 ноября 2022] / Jack Barengoltz, Sonya Moore, David Soules … [et al.] // Contractor Report (CR) : журн. — 1995. — 15 January. — 52 с.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 The Camera That Saved Hubble... Twice: JPL's Wide Field and Planetary Camera 2 : [англ.] // Phys.org : электр. изд.. — 2009. — 11 May.
  9. ↑ 9,0 9,1 Лисов, И. Космический телескоп имени Хаббла : [рус.] // Новости космонавтики : журн. — 1993. — № 24 (61). — С. 9–12.
  10. ↑ 10,0 10,1 Лисов, И. Продолжается подготовка к ремонту космического телескопа «Хаббла» : [рус.] // Новости космонавтики : журн. — 1993. — № 11 (48). — С. 19–20.
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 Лисов, И. Подготовка к ремонту «Хаббла» продолжается : [рус.] // Новости космонавтики : журн. — 1993. — № 17 (54). — С. 17–18.
  12. ↑ Вифпик - сокращённое название, использовавшееся астронавтами для обозначения WFPC-2
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 Павельцев, П. Космический облом имени Хаббла : [рус.] // Новости космонавтики : журн. — 2008. — Т. 18, № 11 (310). — С. 23.
  14. ↑ 14,0 14,1 Лисов, И. STS–125: Здравствуй, «Хаббл». Прощай, «Хаббл»! : [рус.] // Новости космонавтики : журн. — 2009. — Т. 19, № 7 (318). — С. 17—29.
  15. ↑ 15,0 15,1 Camera that saved Hubble : [арх. 24.11.2022] : [англ.] // Denver Museum of Nature & Science. — Дата обращения: 24.11.2022.

Ссылки



Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Широкоугольная_и_планетарная_камера_2&oldid=18370352