Sidste besøg hos Hubble
Hubble teleskopet vil nå toppen af sin ydeevne i en risikabel servicemission
Frank Morring, Jr. / Goddard Space Flight Center
Astronauter og en hær af ingeniører og teknikere på jorden arbejder hårdt for at gøre sig selv og rumfærgen Atlantis klar til den sidste servicemission til NASA’s Hubble Space Telescope (HST).
Hvis det går som planlagt, vil den risikable flyvning efterlade det 17 år gamle teleskop ”på toppen” af sin ydeevne, i stand til at sondere Universet med et komplet sæt instrumenter for første gang.
|
NASA |
|
Astronauter på rumfærgen Columbia skød dette foto af Hubble rumteleskopet kort før det blev sluppet tilbage i kredsløb i marts 2002. Udsigt gennem ”ovenlysruderne” bagest på flyvedækket. |
Men i et ekstremt fjernt værste tilfælde kunne Atlantis ende med at flyve baglæns ind i atmosfæren med sine døre til lastrummet åbne for bedre at kunne brænde op hurtigt over Stillehavet, mens dens syv besætningsmedlemmer er stuvet sammen i rumfærgen Endeavour efter en enestående redningsaktion i kredsløb.
Begge muligheder er blevet planlagt og omplanlagt i de 6,5 år siden den sidste servicemission i 2002. Mens teleskopet nærmer sig sit 100.000 kredsløb om morgenen den 11. August, vokser spændingen over udsigten til en ny opgradering.
”Det er karakteristisk for hver Hubble servicemission, at når vi forlader Hubble, efterlader vi det som et bedre observatorium, end det var før,” siger David Leckrone, senior projektforsker i Hubble Program Office her.
”Når astronauterne forlader Hubble for sidste gang, tror vi, at det vil være på toppen af sin ydeevne,” tilføjede han. ”Der vil aldrig have været et tidspunkt i fortiden, hvor Hubble var mere egnet videnskabeligt, end det vil være efter denne mission.”
Hvis missionen går som planlagt, vil teleskopet have et helt sæt videnskabelige instrumenter i sin lysbane for første gang siden rumvandrerne Thomas Akers og Kathryn Thornton trak Hubbles High Speed Photometer ud i december 1993 for at gøre plads for Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (Costar). Costar blev bygget til at rette en sfærisk afvigelse, som var slebet ind i teleskopets hoved lyssamlende spejl, ved at indsætte korrigerende opsamlingsspejle i lysbanen til instrumenterne. Men man måtte ofre en instrumentsprække for at gøre plads til den.
|
BALL AEROSPACE |
|
Cosmic Origins Spectrograph vil studere Universets struktur på store skalaer. |
Nu har selve instrumenterne korrigerende optik og Costar behøves ikke længere. I dens sted vil serviceringsbesætningen installere Cosmic Origins Spectograph (COS), en ekstremt følsom ultraviolet spektrograf, der vil sætte astronomerne i stand til at begynde at kortlægge strukturen og sammensætningen af det ”kosmiske spind” af galakser og intergalaktisk gas, der delvist er formet af mystisk mørkt stof.
På agendaen vil også være levering af Wide Field Camera 3 (WFC3), som vil lade Hubble sondere dybere ind i Universet end nogensinde før i bølgelængder, der strækker sig fra ultraviolet gennem synligt ind i nær infrarød. Besætningen vil returnere det gamle Wide Field Planetary Camera 2 (WFPC2) til Jorden for at gøre plads for WFC3.
I andet arbejde under missionens fem rumvandringer (EVAs) vil de fire rumvandrere på Atlantis forsøge at reparere fejlslagen elektronik i Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) og Advanced Camera for Surveys (ACS). Near Infrared Camera og Multi-Object Spectrometer (Nicmos) fortsætter med at fungere efter en reparation under servicemissionen i 2002.
Hvis de nye reparationer virker, ”vil vi have en hel værktøjskasse,” siger Leckrone. ”Dette vil være første gang Hubble har været helt instrumenteret, hver instrumentspalte fyldt med et aktivt videnskabeligt instrument, siden december 1993.”
Lige nu er den 8. Oktober den dato man sigter på for opsendelsen af det man kalder Servicing Mission 4 (selv om det faktisk vil være den femte tilbagevenden af rumfærgen til det kredsende laboratorium, fordi en mission blev opdelt). Den dato vil måske endda blive rykket tre dage frem, hvis forberedelserne til flyvningen fortsætter med at gå godt.
Men missionen er år forsinket sammenlignet med de 2-3 års intervaller mellem tidligere flyvninger til teleskopet. Den sidste færge, der servicerede Hubble var Columbia, i marts 2002. Det tragiske tab af den færge og dens besætning mindre end et år senere kastede hele Hubble serviceindsatsen ud i uorden.
En tid så det ud til, at Columbias besøg til Hubble ville blive det sidste af mennesker, da NASA skyndte sig at udvikle en måde at servicere Hubble på med robotter. Uden den ”sikre havn” som udgøres af den internationale rumstation for besætningen på en skadet færge, besluttede den tidligere administrator Sean O’Keefe, at menneskelige servicemissioner var for risikable i miljøet efter Columbia.
Michael Griffin, O’Keefes efterfølger, genoprettede menneskelig service efter at have genanalyseret risikoen. Beslutningen var ligeså populær, som O’Keefes havde været upopulær, både hos offentligheden og på Capitol Hill, men sikkerhedsspørgsmålene stod tilbage. Udviklingen af STS-125 missionen inkluderede omhyggelig planlægning af en firemands besætning til at redde deres kolleger på Atlantis med færgen Endeavour, som vil vente på den anden rampe på Kennedy Space Center når Atlantis sendes op.
Tiden brugt på at forberede en robot servicemission var ikke helt spildt. En af de vanskeligste opgaver, som STS-125 rumvandrerne vil forsøge, er udskiftning af et lavspændingskort i strømforsyningen i STIS instrumentet, der indeholder en fejlslagen omformer. Kortet ligger bag et låg, som er sikret med 111 skruer, der kunne blive til lige så mange stykker farligt affald i kredsløb, hvis de ikke fanges i en ”skrue indfangningsplade,” der voksede frem af et forsøg på at udvikle en robotmåde at udføre jobbet på.
”Noget af den teknologi, man forestillede sig til en hel robot reparation, bar i virkeligheden frugt i form af pladen til indfangning af skruer,” siger Preston Burch, Hubble program manager på Goddard.
En anden stump hardware på STS-125 missionen, der udviklede sig fra planlægningen af robotservice, er en plade til et lavt stød doksystem (low-impact docking system, LIDS), der med tiden vil blive brugt til at fastgøre et fremdriftsmodul, der vil sende teleskopet ned fra dets kredsløb efter dets nyttige levetid slutter, hvilket man nu forventer vil være om mindst fem år (og sandsynligvis mange flere).
Når Atlantis’ robotarm operatør Megan McArthur griber teleskopet og bringer det ned på støttesystemet bagest i Atlantis lastrum, der vil virke som rumvandrernes arbejdsbord, vil LIDS pladen automatisk fastgøre sig til teleskopet via dens blød-indfangning mekanisme, som også inkluderer de mål, et pilotløst fremdrivningsmodul skal bruge til at finde sin dokningsposition.
Planlægningen af robotmissionen ”giver en god teknisk grundlinie for fremtidigt arbejde med udviklingen af et fremdrivningsmodul til at bringe HST ned fra dets kredsløb,” siger Burch.
På teknologiens nuværende stade er det klart, at menneskelige reparatører vil være meget bedre i stand til at servicere teleskopet end robotter, men de får hænderne fulde. EVA planlæggerne her har frembragt en tæt pakket serie på fem rumvandringer, med omhyggelige eventuelle planer for at udføre så meget arbejde som muligt, hvis der opstår problemer.
To af de fire EVA mission specialister – John Grunsfield og Mike Massimino – har udført servicemissioner til teleskopet før (som også Scott Altman, STS-125 commander, har). Grunsfield, en trænet astronom, har været der to gange og vil komme til at bruge teleskopet til sin egen forskning i afprøvningsperioden efter missionen.
Grunsfield og Massimino vil blive ledsaget udenfor af førstegangs rumrejsende Michael Good og Andrew Feustel, som skiftes i hold på to fem dage i træk begyndende på Flight Day 4. Som tidligere vil en af rumvandrerne ride på færgens robotarm for at hale instrumenter og anden hardware til og fra lastrummet, mens hans partner vil klatre af sted langs håndtag på teleskopet.
|
NASA |
|
Goddard teknikere indsætter Wide Field Camera 3 i dets hylster. |
Givet at man er optaget af skader på færgens følsomme termiske beskyttelsessystem (TPS) efter Columbia, vil det første punkt på dagsordenen efter man når kredsløb være den samvittighedsfulde inspektion af de keramiske kakler og forstærkede carbon-carbon paneler bl.a. på vingernes forkant, der beskytter aluminiumsstrukturen mod nedstigningens flammende hede. Besætningen vil bruge kameraet på færgens robotarm og laserkameraer på færgens boom følersystem (OBSS) til at gennemgå TPS tomme for tomme.
Derefter vil OBSS blive stuvet af vejen, så armen kan gribe teleskopet og anbringe det på mekanismen til blød indfangning, så det er klar til de fem rumvandringer.
Her er, flyvedag for flyvedag, den nominelle EVA plan for missionen:
· Flyvedag 4 (EVA 1). Det første job på missionens første rumvandring vil være at fjerne WFPC2 og installere WFC3 i stedet. Dernæst vil EVA holdet installere et af to batterimoduler, som hver indeholder tre af de 60 kg nikkel-hydrogen batterier, der driver teleskopet, når dets solpaneler er i skygge. Efter 18 års drift er batteriydelsen begyndt at gå tilbage og erstatningerne burde holde lige så længe som teleskopet. Ved slutningen af EVA vil rumvandrerne bruge omkring 45 minutter på den endelige opsætning af den bløde indfangningsmekanisme i bunden af Hubble.
· Flyvedag 5 (EVA 2). Jobbet med servicemissionens højeste prioritet er at erstatte alle seks af de gyroer, der holder Hubble låst fast på dets fjerne mål under de lange eksponeringer, der behøves for at indsamle så meget lys som muligt fra Universets fjerne egne. Kun tre virker i øjeblikket og siden 2005 har man kun brugt to. EVA holdet vil bruge omkring 3 t. 20 min. på udskiftning af alle tre af to-gyro kasserne, der kaldes rate sensor enheder. Resten af EVA vil blive helliget udskiftning af det andet batterimodul.
· Flyvedag 6 (EVA 3). I den første halvdel af denne rumvandring vil EVA besætningen fjerne Costar apparatet, stuve det i lastrummet og installere COS i stedet ved at skyde den ind på de skinner, der holder de store instrumentenheder inde i teleskopet bag dets ydre døre. Derefter vil de begynde på en totrins proces til reparation af ACS. I januar 2007 gik alle instrumentets tre kanaler ned og efter en måneds arbejde var kontrolørene her kun i stand til at genoprette Solar Blind Channel, som blokerer synligt lys for at fokusere på ultraviolette bølgelængder. For at genoprette resten af instrumentets funktionalitet vil astronauterne erstatte en elektronikboks og starte den med en lavspændingsstrømforsyning.
· Flyvedag 7 (EVA 4). Først på denne rumvandring vil være reparationen af STIS, som ville være en enkel udskiftning af et kredsløbskort, hvis det ikke var for de 111 skruer, der er i vejen. EVA holdet vil installere indfangningspladen til skruer over adgangspanelet og så bruge en elektrisk skruetrækker til at skrue alle skruerne løs. Som navnet antyder, vil skruerne forblive i indfangningspladen, når rumvandrerne fjerner den. Når de er inde i instrumentet vil besætningen fjerne et fejlet strømforsyningskort og indsætte en erstatning. Adgangspanelet vil blive erstattet af et enkelt dæksel, der kan låses på plads med to håndtag, som er konstrueret til at kunne bruges med rumdragtens handsker. Resten af rumvandringen vil blive helliget installationen af New Outer Blanket Layers (NOBLs) over to stykker oprindelig termisk isolation, der med tiden er blevet svækket i det barske miljø i rummet. NOBLs coatede rustfrit stål foliepaneler fastgøres over den skadede isolering med ekspanderende tapper, der passer i hullerne til dørventiler.
· Flyvedag 8 (EVA 5). Besætningen vil starte denne EVA med at udskifte en af tre fine guidance sonder (FGSs) placeret med 90 graders interval på teleskopets omkreds med en, der blev trukket tilbage fra teleskopet i 1999 og genopfrisket. De optiske enheder på 240 kg. giver yderst nøjagtig retningsinformation til teleskopet, men to af dem forringes. Kun to er nødvendige for pegeopgaven, så erstatning af en af dem vil sikre, at teleskopet vil kunne fortsætte operation med en nøjagtighed på kun 0,007 buesekunders rysten. Anordningerne bruges også til astrometri. Når FGS er udskiftet vil rumvandrerne bruge resten af den sidste EVA til at gøre ACS reparationen færdig og lukke teleskopet og lastrummet, før de vender tilbage til luftslusen.
Givet den tætpakkede plan har Hubble planlæggerne udarbejdet en omfattende plan for opbakning og prioriteter, hvis nogen del af den nominelle tidslinie går tabt til tekniske problemer med servicering eller behov for geninspektion af TPS. Efter gyroudskiftningen er serviceprioriteterne i rækkefølge: installation af WFC3 og COS, udskiftning af batterierne, udskiftning af fine guidance føler, reparation af STIS og ACS og installation af NOBL panelerne over den svækkede isolation. Hvis brændstofniveauerne tillader det, vil Atlantis også bringe teleskopet op i en højere bane.
Ligesom Hubble programmet og astronautkorpset har gjort fremskridt med, hvad mennesker kan gøre for at vedligeholde og opgradere teleskopet i kredsløb, så har fabrikanterne på jorden forbedret deres tenikker til bygning af de unike instrumenter, der indsamler og analyserer de fotoner, som Hubble trækker ind fra det fjerne. Ball Aerospace and Technologies har bygget syv instrumenter til Hubble i årenes løb, inkluderende Costar med den korrigerende optik, og har jaget den nyeste optik gennem de forskellige opgraderinger.
|
NASA |
|
Astronauterne Grunsfeld (venstre) og Massimino undersøger erstatningskortet til STIS, som de vil installere, mens STIS Repair Manager Tammy Faulkner (midten) og rumvandringseksperterne Christy Hansen og Tomas Gonzalez-Torres (højre) ser på. |
”Vi er kommet langt siden dagene med Costar og med de nye udfordringer prøver vi at få de nyeste detektorer ind i vore instrumenter i sidste mulige øjeblik,” siger Thomas Delker, første optiske ingeniør på Ball. ”Man starter hen ad stien med udviklingen af ens sensorer og de første, der fremkommer, er aldrig så gode som de sidste. Der er så megen risiko ved at opbygge disse sensorer og få dem til at virke og komme igennem alle deres kvalificeringer…at man ofte er så langt bagefter teknologiens kurve på det tidspunkt, hvor noget skal indgå i instrumentet, at ens sensorer bliver lidt gamle.”
Ved at trække på deres erfaringer gennem de seneste to årtier har Ball fremstillet to nye instrumenter, der vil fremme det, som astronomerne kalder ”opdagelseseffektiviteten” – synsfelt ganget med optisk gennemløb – i forhold til ældre Ball instrumenter på teleskopet. For eksempel vil WFC3 forstærke opdagelseseffektiviteten i nær ultraviolet og blåt lys med en faktor på 35 over ACS og med en faktor på 15-20 over NICMOS i nær infrarød.
Med disse nye evner – konstrueret til at komplementere Hubbles ældre instrumenter – håber astronomerne at fortsætte deres undersøgelse af emner så forskellige som galaktisk udvikling og dannelsen af stjerner og planeter; kilderne til carbon, jern og andre grundstoffer, som er nødvendige for liv; og naturen af den mystiske mørke energi, som Hubble fandt og som forårsager, at Universet ekspanderer hurtigere.
”En stor del – 40-50% - af den vigtigste videnskab, som Hubble har udført i fortiden, har været uventet,” siger Leckrone. ”Der er dukket spørgsmål op, som vi ikke engang vidste, hvordan vi skulle stille, da Hubble først blev sendt op. Universet har mange flere overraskelser i vente for os og jeg tror, at med dette utroligt kraftige sæt værktøj af nye instrumenter og genoprettede instrumenter, vil vi snuble over det uventede, som vi altid traditionelt har gjort i fortiden.”
NASAs erfaring med at drive og opgradere Hubble i årenes løb kan måske også give en bonus i fremtidig menneskelig udforskning hinsides det lave kredsløb om Jorden, når astronauter vil skulle servicere deres rumfartøjer og leve i dem samtidig, mens de er fjernet langt fra den støtte, der er til rådighed på Jorden. Nogle af de værktøjer, de opdagelsesrejsende sandsynligvis vil bruge, som ”pistolgreb værktøjet” astronauter på den internationale rumstation bruger til at drive bolte til det rette drejningsmoment, blev udviklet til at servicere Hubble og finder sandsynligvis vej til Månen og videre med tiden.
|
NASA/ESA/M. DAVIS (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY) |
|
Styrken af Advanced Camera for Surveys, som vises i dette billede af omkring 50.000 galakser bag Karlsvognen, kan måske genoprettes med en reparation. |
Og da selve Hubble missionernes koreografi har været meget omhyggelig – en luksus der sandsynligvis ikke vil være til rådighed på vejen til Mars – kan nogle underliggende principper, der indgår i planlægningen, som behovet for alternative måder at udføre en given opgave på, måske også tjene planlæggerne af disse fremtidige Mars missioner. Hubble programmet udpensler de lærte lektier ”i mægtige, blodige detaljer” efter hver mission, men Burch, Hubble program leder, er bekymret for, at de ikke vil blive indfanget til fremtidig brug.
”Jeg mener ikke NASA gør det så godt, som de kunne, med at indfange lærte lektier fra tidligere programmer,” siger han. ”Det synes som om hvert program, der kommer, har et nyt sæt folk, et nyt sæt ledere, og de mener alle, at de ved, hvordan de ønsker at få det gjort og så går de hen og gør det. Der har været en stor indsats i årenes løb, for at lave databaser og samle dokumenter.
Skønt dokningsmekanismen, som STS-125 besætningen vil efterlade på Hubble, vil virke med NASAs planlagte Orion forskerbesætningsfartøj såvel som med et robotfremdrivningsmodul til at bringe teleskopet sikkert ud af kredsløb, er der lille chance for, at disse lærte lektier vil blive brugt til en Orion mission for at servicere teleskopet. Ed Weiler, NASAs associerede administrator for videnskab og den oprindelige programforsker på Hubble, talte for at bringe teleskopet tilbage til udstilling i Smithsonian´s Air and Space Museum før Columbia ulykken. Men nu mener han, at det er tiden til at forberede at bringe teleskopet ud af kredsløb i midten af 2020’erne, når det begynder at udgøre en genindtrædelsesfare.
”På det tidspunkt, hvor Orion flyvning er rutine, man taler om otte år mere, måske syv, vil fremstillerne af gyroer, rektionshjul, fine guidance følere, alle være lukket,” siger Weiler. ”Så der vil ikke være nogen reservedele at flyve med og Orion er konstrueret til at flyve til Månen. Den er ikke konstrueret til at bringe tons af last op til Hubble…. Jeg mener, det er tid at komme videre.”
Fra Aviation Week & Space Technology, 4. August 2008. Siderne 46-51.