Rekao sam da više neću da pišem o JWST. I neću, ali povod je nešto što nema mnogo veze sa samim teleskopom već više sa satelitskom tehnikom – kako ući u daleku LaGranžovu tačku. Onom ko ne zna ni šta je to, ova priča neće biti zanimljiva, te nek' je preskoče
Deo Webbove stranice WHERE IS WEBB? Ko voli i ume, ovde ima (skoro) sve što prosečnog kosmomanijaka može da zanima: brzina, temperatura, položaj i sl.
Mesec dana nakon lansiranja i prevaljenih 15.000.000 1.500.000 kilometara i gotovo dve nedelje nakon završetka spektakularne i složene implementacije, kosmički teleskop 'James Webb' (JWST) dosegao je konačno svoju konačnu orbitu. 24. januara 2022. u 20:00 po našem vremenu, 'James Webb' je prvi put uključio motore SCAT-3 i SCAT-4 ( Secondary Combustion Augmented Thrusters ) 1,5 miliona kilometara od Zemlje u trajanju od 297 sekundi kako bi izveo manevar sa delta-v od 1,6 m/s. Nakon poslednje korekcije[1], nazvane MCC-2( Mid-Course Correction 2 ), u trajanju od gotovo pet minuta, JWST je postavljen u tzv. halo orbitu oko Lagranžove libracione tačke ESL-2 sistema Zemlja-Sunce. U ovoj orbiti JWST će ostati do kraja svog korisnog veka, koji se, zahvaljujući preciznosti evropske rakete 'Ariane 5', procenjuje na otprilike dvadeset godina. Od tog trenutka počela je naučna avantura najsloženijeg i najskupljeg svemirskog teleskopa koji je stvorio ljudski um.
'James Webb' je konačno stigao u orbitu oko tačke L2 sistema Zemlja-Mesec.
Pre nego što nastavim, zgodna je prilika da objasnim princip korigovanja trajektorije nakon napuštanja Zemljine privremene orbite. Ova malopre pomenuta, MCC-1a, bila je prva, najveća i najvažnija korekcija u misiji, a započela je samo 12,5 sati nakon lansiranja[2]. Ova satnica je odabrana zato jer što se pre izvrši korekcija kursa biće potrošeno manje goriva. Time se štedi gorivo neophodno za 'Webbove' uobičajene operacije tokom njegovog radnog veka: tzv. station-keeping (mala prilagođavanja kako bi 'Webb' zadržao u željenoj orbiti) i tzv. momentum-management (kako bi se suprotstavio učincima pritiska Sunčevog zračenja na ogromni solarni štit teleskopa).
Uključivanje para glavnih motora nije bilo planirano neposredno nakon lansiranja da bi se timu za dinamiku leta dalo vremena da sakupi podatke o praćenju sa tri zemaljske stanice, široko razdvojene na površini Zemlje, čime se osigurava visoka preciznost u određivanju 'Webbovog' položaja i brzine, nužnih za određivanje preciznih parametara za manevar. Potrebne podatke su obezbedile zemaljske stanice u Malindi u Keniji, Kanberi u Australiji i Madridu u Španiji. Takođe je bilo vremena za jedno probno uključivanje trastera pre izvođenja stvarnog paljenja. Nasini analitičari su se odmah prihvatili analiza kako bi utvrdili koliko će još biti potrebno ispraviti 'Webbovu' trajektoriju i koliko će im goriva ostati, ali su odmah znali da je drugi stepen 'Ariane 5' bolje odradio svoj zadatak od zahtevanog.
Ima jedan zanimljiv aspekt 'Webbovog' lansiranja i korekcija trajektorije, a to je da uvek treba 'ciljati malo niže'. Tačka L2 i 'Webbova' orbita oko nje su samo polustabilne. U radijalnom smeru (duž linije Sunce-Zemlja) postoji ravnotežna tačka u kojoj u principu ne bi bio potreban potisak motora da bi se ostalo u tom mestu; međutim, ta točka nije stabilna. Ako bi 'Web' skliznuo malo prema Zemlji, nastavio bi da se (u nedostatku korektivnog potiska) kreće sve bliže njoj; ako bi se malo udaljio od Zemlje, nastavio bi da se udaljava. 'Webb'ima trastere samo na toploj, Suncu okrenutoj strani opservatorije. Niko ne želi da vrući trasteri kontaminiraju hladnu stranu opservatorije neželjenom toplotom ili izduvnim gasovima koji bi mogli da se kondenzuju na hladnoj optici. To znači da trasteri mogu samo odgurati 'Webb' od Sunca, a ne natrag prema Suncu (i Zemlji). Stoga dinamičari leta dizajniraju lansiranje i MCC-ove tako da aparat uvek drže na uzbrdici gravitacijskog potencijala, nikada ne želeći da pređu preko vrha – i odlutaju nizbrdo s druge strane, bez mogućnosti da se vrate.
Stoga je umetanje 'Ariane 5' na odgovarajuću trajektoriju ka L2 namerno dizajnirano tako da ostavi određenu brzinu u anti-Sun smeru koju će osigurati motori korisnog tereta. MCC-1a je bio izveden tako da se ukloni veći deo ali ne i sav, ukupne potrebe za korekcijom (vodeći računa da i taj impuls ne bude preteran). Na isti način su i MCC-1b, izveden 2,5 dana nakon lansiranja, i MCC-2 izveden 29 dana nakon lansiranja, kao i station-keeping uključivanja tokom čitavog radnog veka misije, uvek izvedeni sa potiskom malo manjim od maksimalno potrebnog. Inženjeri leta žele da Sizif nastavi da valja ovu stenu uz blagu padinu blizu vrha brda – nikada ne želeći da se ona prevrne preko vrha i pobegne od njega. Posao 'Webbovog' tima, vođen stručnjacima iz Flight Dynamics Facility-ja iz Nasinog kosmičkog centra Goddard, jeste da osigura da se to nikad ne desi.
Raspored motora na JWST-u. SCAT su bipropelantni i oni su glavni, a napajaju se iz dva odvojena tanka. Postoje dva para: jedan za manevre MCC-1a i -1b, a drugi za MCC-2 i za manevre station-keepinga. Dva para su neophodna jer se težište opservatorije promenilo između MCC-1b i MCC-2 jer je otvoren solarni štit. Drugi set motora su DTM. Oni su monopropelantni i grupisani u 8 modula, u kojima se nalaze primarni i redundantni trasteri malog potiska (445 gr). Na slici levo, obeleženi su ventili za sipanje goriva, jer neki forumi pominju da (teorijski) ipak može da se izvede neka buduća misija za dolivanje goriva kada ovo ponestane. Niko ne zna šta će biti za 10-15 godina. Ipak je $10 mld. velika lova...
Ali da se vratim glavnoj temi. Bio je to prvi put da su korišćeni motori SCAT-3 i -4 ( Secondary Combustion Augmented Thrusters ), budući da su u dva prethodna paljenja motora za korigovanje putanje, MCC-1a i MCC-1b – koja su se dogodila 26. i 28. decembra, 2021. – korišćeni SCAT-1 i -2[3]. Kao što sam objasnio, razlog za korišćenje dva različita para hipergoličkih motora je taj što se sada, nakon postavljanja teleskopa, težište teleskopa značajno promenilo. Zbog toga su SCAT-3 i -4 smešteni na nosačima koji tvore ugao od 37º sa horizontalnom osom broda, dok su SCAT-1 i -2 smešteni u donjem delu letilica (u stvarnosti, pri svakom paljenju korišćen je samo jedan od dva motora svakog para, dok je drugi služio kao rezerva).
Pogled na JWST sa drugog stepena 'Ariane 5' .
Tri korekcije koje su JWST dovele u orbitu. MCC-1a je imao delta-v od 16 m/s, MCC-1b 2,8 m/s, dok je MCC-2 imao 1,6 m/s.
Putanja JWST-a da je MCC-2 nije dogodio: teleskop bi se vratio na Zemlju.
Sile koje deluju na JWST (SRP označava pritisak solarnog zračenja).
Tačka ESL-2, gde su gravitaciona polja naše planete i Sunca uravnotežena, nalazi se 1,5 miliona kilometara od Zemlje, ali, pošto objekti u toj tački nisu stabilni, JWST opisuje eliptičnu orbitu oko nje. Iako se naziva 'halo', tehnički je takođe moguće postaviti teleskop i u 'kvazi-halo' ili 'Lissajousovu' orbitu, ali razlika ne bi bila značajna – osim ako vam je strast, naravno, orbitna mehanika – pa, radi jednostavnosti, govorimo uopšteno o halo orbiti. Ona je dosta široka i nema konstantne efemeride, ali je možemo aproksimovati kao elipsu s velikom osom od oko 800.000 km i malom osom od 400.000 km. To objašnjava zašto je, zapravo, JWST prevalio ukupno 1.609.344 km od Zemlje do mesta gde je počelo paljenje MCC-2. U svakom slučaju, kao što sam već rekao, halo orbita je nestabilna, zbog čega će JWST morati da pokreće svoje MCC motore svakih 21 dan. Ova paljenja neće služiti samo za podešavanje putanje, već i za rasterećenje ugaonog momenta inecionih točkova, koji će se koristiti za usmeravanje teleskopa u željenom smeru i koji se moraju da suprotstave učinku radijacionog pritiska Sunčeve svetlosti na štit (u stvari, radijacioni pritisak Sunčeve svetlosti stvara četvrtu najjaču silu na opseravatoriju nakon gravitacionih polja Zemlje, Sunca i Meseca, tim redosledom).
Moguće halo trajektorije u orbite u zavisnosti od lansirnog prozora.
Dimenzije orbita opservatorije.
Položaj nebeskih tela u odnosu na azimutni ugao teleskopa iz orbite oko L2.
Obzirom na tako široku orbita, Zemlja i Mesec se neće uvek nalaziti 'iza' JWST-a, pa je potrebno paziti da ti izvori svetlosti ne pokvare buduća osmatranja. Uostalom, ova orbita je i odabrana tako da bi jedno 'lice' JWST-a uvek bilo u senci a drugo na svetlu. U svakom slučaju, to nije bio jedini kriterijum pri odabiru orbite, budući da bi, da je tako, idealno bilo postaviti opservatoriju u solarnu orbitu daleko od Zemlje, poput infracrvenog teleskopa 'Spitzer'. U solarnoj orbiti, JWST bi sagorio mnogo manje goriva i njegov radni vijek ne bi bio ograničen pogonskim gorivom. Međutim, odabrana je halo orbita zato što, osim što omogućuje da optika teleskopa bude dovoljno hladna, može da jamči stabilnu komunikaciju, što je osnovni uslov za planiranje promatranja.
Ali pre nego što naučni instrumenti počnu da rade i otkriju nam čuda kosmosa, potrebno je proći niz faza. Prva uključuje hlađenje 'noćne strane' JWST-a, što uključuje optiku i instrumente, na oko -233°C[4]. Ove vrlo niske temperature, koje su potrebne da bi teleskop mogao da vrši promatranja u infracrvenom spektru, postižu se korišćenjem pasivnog solarnog štita, sastavljenog od pet poliamidnih slojeva 'Kaptona' (kako bi instrument MIRI mogao da 'gleda' u blisko-infracrvenom, biće potrebno da koristi aktivno hlađenje s helijumom tako da senzor bude na samo 7 kelvina (−266°C) iznad apsolutne nule.
Sledeće faze JWST-a.
Faze ulaska JWST u L2.
Trenutno (ovo pišem 28. I.), JWST-ova optika je na -210ºC, tako da ima još nekoliko dana da se ohladi na pravu temperaturu. S druge strane, 18 berilijumskih segmenata primarnog ogledala od 6,5 metara mora da se poravna kako bi formirali jednu koherentnu sliku. Svaki segment koristi šest motorčića[5] ('aktuatora') sa šest stepeni slobode za svoje pozicioniranje u odnosu na ostale, koji mogu da pomiču ogledala u koracima od 50 nanometara (50 milionitih delova milimetra) ili 7 nm (u finom podešavanju). Proces poravnavanja je vrlo složen i trajaće oko tri meseca – ne samo da se radi o poravnavanju ogledala, već i o razumijevanju svih njihovih svojstava i ograničenja – iako se NASA nada da će prve slike imati najkasnije za pet meseci. 13. januara započeo je proces poravnanja i 18 segmenata primarnog ogledala počelo je da se pomera iz položaja za lansiranje u položaj promatranja (na udaljenosti od oko 12,5 mm jedno od drugog).
Ukratko, za sada s 'Jamesom Webbom' sve ide glatko. NASA ni u najluđim snovima nije mogla zamisliti da će se implementacija najsloženijeg svemirskog teleskopa u istoriji odvijati bez incidenata vrednih pomena. Nadajmo se da će tako ostati još makar nekoliko decenija.
Pokretanje segmenata sa startne pozicije.
Poređenje je na mestu.
[1] Zapravo, prva korekcija, označena kao MCC-1a, izvedena je prema planu svega 12,5 sati po lansiranju. Impuls je trajao 65 minuta i usmerio je 'Webba' ka tački L2. Ono čega se svi navigatori generalno plaše, to je da 'preteraju', da korektivni impuls bude prejak, jer onda nema leka. Zato se oni dele na 2, 3 ili više manjih korekcija.
[2] 27. decembra 2021, otprilike 60 sati po lansiranju, po drugi put su uključeni motori u trajanju od 9 minuta i 27 sekundi. Bio je to manevar MCC-1b.
[3] SCAT-1 i -2 su primarni i redundantni motori za manevre MCC-1a i -1b, dok su SCAT-3 i -4 primarni i redundantni par za MCC-2 i station-keeping.
[4] Kad sam počeo da pišem ovu priču, prema izveštaju Nase temperatura primarnih ogledala sa te strane je iznosila -203ºC. Sada, 5 dana kasnije, temperatura je -211º.
[5] Preciznije, svaki segment je kontrolisan sa po 6 pozicionih aktuatora, sa još jednim ROC (radius of curvature) aktuatorom u centru radi podešavanja kurvature. Tako dobijamo 126 motorčića za primarno ogledalo, plus još 6 za sekundarno, tako da dobijamo da opservatorija poseduje ukupno 132 aktuatora.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
