광학 망원경 요소

Optical Telescope Element
기본 미러가 부착된 전면 미러 어셈블리, 2016년 11월
이산화탄소 눈으로 청소하는 보조 미러

광학망원경원소(OTE)는 2021년 12월 25일 발사된 대형 적외선 우주망원경인 제임스 웹우주망원경의 서브섹션이다.[1] OTE는 메인 미러, 보조 미러, 미러를 지원하는 프레임워크 및 제어 장치, 망원경의 기능을 지원하는 다양한 열 및 기타 시스템으로 구성되어 있다.[1] JWST의 다른 두 가지 주요 섹션은 통합과학 계기 모듈(ISIM)과 우주선 요소(SE)로, 우주선 버스와 선실드가 포함된다.[2] OTE는 빛을 모아 ISIM의 과학기기로 보낸다.[1] OTE는 망원경의 "눈"이고 그것의 백플레인은 "거미"[3]와 비교되어 왔다.

1차 거울은 18개의 육각 원소로 이루어진 타일형 조립체로, 각 원소는 평면에서 평면으로 1.32m(4.3ft)씩이다. 이 조합은 유효 간극이 6.5m(21ft), 총집합면이 27m(290sqft)이다.[4] 보조 미러는 20개의 무차별적 영상 광학 장치를 완성한다.[5] 전체 시스템은 f/16.67의 유효 f/number와 131.4m(431ft)의 초점 길이를 제공한다.[5][6] 주요 3-미러 망원경은 코르쉬형 설계로,[6] Aft 광학 서브시스템(OTE의 일부)에 공급되며, 이는 과학 기기와 미세 유도 센서를 내장한 통합과학 계기 모듈로 공급된다.

OTE의 부품은 L3해리스 테크놀로지가 통합해 최종 시스템을 구성했다. [7]

개요

OTE는 메인 미러를 포함한 제임스 웹 우주 망원경의 광학 및 구조 구성요소를 다량 결합한다.[8] 또한 미세한 조향 미러를 가지고 있어 최종 정밀한 포인팅이 가능하며, 미세한 유도 센서와 다른 제어 시스템과 우주선 버스의 센서와 연동하여 작동한다.[8]

메인 미러 세그먼트는 거친 페이징 알고리즘을 사용하여 대략적으로 정렬된다.[8] 그런 다음 보다 미세한 정렬을 위해 위상 검색 기법을 수행하기 위해 NIRCam 내부의 특수 광학 장치를 사용하여 150nm 미만의 설계 파동 앞면 오차를 달성한다.[8] 포커스 미러로 올바르게 기능하려면 18개의 메인 미러 세그먼트를 하나로 수행하도록 매우 가깝게 정렬해야 한다.[8] 이것은 우주 공간에서 이루어져야 하기 때문에, 그것이 제대로 작동하는지 확인하기 위해 지구상에서 광범위한 실험이 필요하다.[8] 각 미러 세그먼트를 정렬하기 위해 5nm 단계에서 해당 세그먼트를 조정할 수 있는 6개의 액추에이터에 장착된다.[8] 거울을 조각으로 나눈 한 가지 이유는 거울의 무게가 거울의 크기와 관련이 있기 때문에 무게를 줄이기 때문인데, 이것 또한 베릴륨이 무게가 낮기 때문에 거울 재료로 선택된 이유 중 하나이다.[8] 본질적으로 무중력 상태의 우주에서 거울은 무게가 거의 나가지 않지만, 거울의 모양을 유지하기 위해서는 매우 뻣뻣할 필요가 있다.[8] Wavefront 감지 및 제어 하위 시스템은 18 세그먼트 기본 미러를 단일(단일피스) 미러로 작동하도록 설계되었으며, 능동적으로 오류를 감지하고 수정함으로써 부분적으로 이를 수행한다.[9] 이를 위해 망원경이 거치는 9가지 거리 정렬 과정이 있다.[9] 조정의 또 다른 중요한 측면은 일차 미러 백플레인 어셈블리가 안정적이라는 것이다.[10] 백플레인 어셈블리는 흑연 합성물, 인바, 티타늄으로 만들어진다.[10]

ADIR, Aft 전개식 적외선 라디에이터는 메인 미러 뒤의 라디에이터로 망원경을 시원하게 유지하는데 도움을 준다.[11] 두 개의 ADIR이 있고 그것들은 고순도 알루미늄으로 만들어졌다.[11] 라디에이터에는 우주로 열을 방출하는 데 도움이 되는 특별한 검은 코팅이 있다.[12]

3차(3차) 미러와 미세 조향 미러를 포함하는 2011년 Aft 광학 서브시스템 시험

NASA에 따르면 OTE의 주요 부분은 다음과 같다.[1]

  • 기본 미러(18개 세그먼트)
  • 보조 미러(74cm(29인치) 직경)
  • 3차 미러(3번째) (Aft 광학 서브시스템)
  • 미세 스티어링 미러(Aft 광학 서브시스템)
  • 망원경 구조
    • 기본 미러 백플레인 어셈블리
    • 주 백플레인 지지 고정장치(BSF)
    • 2차 미러 지지 구조
    • 전개식 타워 어레이
  • 열 관리 하위 시스템
  • Aft 전개식 ISIM 라디에이터(ADIR)
  • 파동전면 감지 및 제어

Aft 광학 서브시스템은 3차 미러와 미세 조향 미러를 포함한다.[1] 파인 스티어링 미러의 작업 중 하나는 이미지 안정화다.[5]

금속 베릴륨은 무게를 포함한 여러 가지 이유로 선택되었지만, 유리에 비해 열팽창의 저온계수 때문에 선택되었다.[5] 게다가 베릴륨은 자석이 아니며 전기와 열의 좋은 전도체다. [13] 베릴륨 거울을 사용한 적외선 망원경으로는 IRAS, COBE, 스피처 등이 있다.[5] 서브스케일 베릴륨 모델 시승기(SBMD)는 극저온에서 성공적으로 시험되었으며, 우려 사항 중 하나는 낮은 켈빈 수치의 표면 거칠기였다.[5] 베릴륨 거울은 적외선을 반사하기 위해 매우 미세한 금층으로 코팅되어 있다.[6] 전체 지름이 6.5m(21ft)인 단일 거울을 만들기 위해 함께 묶인 육각형 세그먼트가 18개 있다.[6]

DTA

전개식 타워 조립체(DTA)는 OTE가 우주선 버스와 같은 나머지 망원경과 연결되는 곳이다. 보관 중 OTE의 높은 곳에 접힌 선실드를 위한 또 다른 부착점이 있다.

OTE의 기저부에는 OTE와 우주선 버스를 연결하는 전개식 타워 조립체(DTA)[14]가 있다. 선실드(JWST)가 펼쳐져 5개 층 사이의 공간이 넓어지도록 확장해야 한다.[14] 선실드 부분은 6개의 가장자리에서 층을 펼치기 위해 바깥쪽 가장자리에 있는 6개의 스프레더를 포함하여 여러 개의 구성요소를 가지고 있다.

발사 중 DTA는 축소되지만 적절한 순간에 연장되어야 한다.[14] 확장된 DTA 구조는 태양 차폐 층을 완전히 펼 수 있게 한다.[14] 또한 DTA는 OTE의 차가운 부분을 뜨거운 우주선 버스로부터 열적으로 격리시켜야 한다.[14] 선실드는 직사광선으로부터 OTE를 보호하고 그것을 타격하는 열 방사선을 감소시키겠지만, 또 다른 측면은 우주선의 나머지 부분과의 OTE의 물리적 연결이다.[14] (열전도와 열전달 참조) 태양방패가 태양의 복사열로 인해 망원경이 뜨거워지는 것을 멈추는 반면, DTA는 절연된 팬 핸들이 난로의 열로부터 보호하는 방식과 유사하게 구조물의 나머지 열로부터 망원경을 절연해야 한다.

DTA는 롤러에서 서로 미끄러질 수 있는 두 개의 텔레스코핑 튜브를 통해 확장된다.[14] 내관과 외관이 있다.[14] DTA는 볼 스크루 너트를 회전시켜 두 튜브를 분리하는 전기 모터에 의해 연장된다.[14] DTA가 완전히 전개되면 길이는 3m(10ft)이다.[15] DTA 튜브는 흑연 복합 탄소 섬유로 만들어졌으며, 우주에서의 조건에서도 살아남을 수 있게 하기 위한 것이다.[16]

타임라인

주요 기사: James Webb 우주 망원경 타임라인
  • 2001년 12월: SBMD 시험의 최종 결과.[17]
  • 2012년 4월: 기본 미러 백플레인 지지 구조 완료.[18]
  • 2015년 11월: 첫 번째 기본 미러 세그먼트 설치.[19]
  • 2015년 12월:[20] 설치된 1차 미러 세그먼트의 절반
  • 2016년 2월 3일: 설치된 18개의 기본 미러 세그먼트 중 마지막.[21]
  • 2016년 3월 3일: 보조 미러 설치[22]
  • 2016년 3월: Aft 광학 서브시스템 설치.[23]
  • 2016년 5월: OTE와 ISIM이 OTIS로 통합되어, 이 두 지역의 결합이다.[24]

개발 테스트베드

기본 미러의 6번째 스케일 테스트 버전

작동하는 메인 미러를 달성하는 것은 JWST 개발의 가장 큰 어려움 중 하나로 여겨졌다.[8] JWST 개발의 일부에는 다양한 기능 및 크기의 테스트베드에 대한 JWST 검증 및 테스트가 포함되었다.[25]

개발항목의 종류로는 경로 찾기, 테스트베드, 엔지니어링 테스트 유닛 등이 있다.[26] 때로는 단일 품목을 다른 기능에 사용할 수도 있고, 물리적으로 만들어진 품목이 아니라 소프트웨어 시뮬레이션일 수도 있다.[26] NEXUS 우주 망원경은 완전한 우주 망원경이었지만 본질적으로 JWST를 축소했지만 거울의 주 직경 2.8m(9.2ft)에 대해 1개의 접히는 거울 조각 3개를 포함한 많은 변화를 가지고 있었다.[27] 그것은 더 가벼워서 빠르면 2004년에 델타 2 로켓으로 발사될 수 있을 것으로 상상되었다.[27] 그 디자인은 2000년 말에 취소되었다.[28] 당시 NGST/JWST는 면적이 50m2(540sqft)인 8m(26ft) 설계였고, 몇 년 후 이 설계는 결국 면적이 25m(270sqft)인2 6.5m(21ft) 설계로 축소되었다.[29]

OTE 패스파인더

주요기사 : OTE 패스파인더

JWST 개발의 한 부분은 광학망원경 소자 경로파인더 생산이었다.[30] OTE 패스파인더는 2개의 추가 미러 세그먼트와 추가 2차 미러를 사용하며, 다양한 구조물을 조립하여 지상 지원 장비를 비롯한 섹션의 다양한 측면을 시험할 수 있다.[30] 이는 나중에 JWST 자체에서 사용되는 GSE를 지원하며 미러 통합 테스트를 가능하게 한다.[30] OTE 패스파인더는 전체 망원경에 비해 18개의 세포가 아닌 12개의 세포로 되어 있지만, 백플레인 구조의 테스트가 포함되어 있다.[31]

추가 테스트/모델

JWST 창설을 위한 시험기사와 개발시위대가 많다.[26] 몇몇 중요한 것은 초기 시위자들이었는데, 이것은 JWST의 많은 기초적인 기술들이 가능하다는 것을 보여주었다.[26] 다른 시험 항목은 위험 완화를 위해 중요하며, 기본적으로 실제 비행 우주선이 아닌 다른 곳에서 연습함으로써 프로그램의 전반적인 위험을 감소시킨다.

또 다른 테스트베드는 메인 미러와 기술의 1/6 스케일 기능 버전으로, 특히 많은 세그먼트가 하나로 작동할 수 있도록 하는 데 사용되었다.[9] 또 다른 광학 테스트베드는 JOST라고 불리며, JWST 광학 시뮬레이션 테스트베드를 의미한다.[25]

SBMD(Subscale Beryllium Model Shestator)는 2001년까지 제작 및 시험되었고, 이전에 차세대 우주 망원경(NGST)이었던 제임스 웹 우주 망원경을 곧 세례한 것을 가능하게 하는 기술을 시연했다.[17] SBMD는 베릴륨 가루로 만든 지름 반미터의 거울이었다.[17] 그 후 거울의 무게는 반사 능력을 방해하지 않고 재료를 제거하는 "경량화"라는 거울 제작 과정을 통해 감소되었고, 이 경우 SBMD 질량의 90%가 제거되었다.[17] 이후 티타늄 바이포드 굴곡이 있는 단단한 백플레인에 장착돼 다양한 테스트를 받았다.[17] 이것은 그것을 필요한 낮은 온도로 얼리고 그것이 어떻게 광학적으로 그리고 신체적으로 어떻게 행동하는지 보는 것을 포함했다.[17] 테스트는 SBMD를 테스트하기 위해 특별히 제작된 광학 테스트 시스템(일명 OTS)으로 수행되었다.[17][32] SBMD는 공간 기반 미러에 대한 요구 조건을 충족해야 했고, 이러한 교훈은 JWST의 개발에 중요했다.[33] 테스트는 미국 앨라배마주 마셜우주비행센터(MSFC)의 X선 보정시설(XRCF)에서 진행됐다.[17][32]

극저온 진공 조건에서 SBMD(NGST 미러 프로토타입)를 테스트하기 위해 광학 시험 시스템(OTS)을 개발해야 했다.[32] OTS에는 WaveScope Shack-Hartmann 센서와 Leica Disto Pro 거리 측정 기기가 포함되었다.[32]

일부 JWST 기술 테스트베드, 경로 찾기 등:

  • OTE 패스파인더.[30]
  • TBT(1/6차 척도 테스트베드)[25]
  • JOST(JWST 광학 시뮬레이션 테스트베드)[9][25]
  • SBMD(하위 베릴륨 모델 시승기)[17]
  • OTS(SBMD용 테스트 시스템)[32]
  • ITM(소프트웨어 모델)[25]
  • OSIM(OTE 시뮬레이터)[34]
  • 빔 이미지 분석기[34]

또 다른 관련 프로그램은 AMSD(Advanced Mirror System Testator) 프로그램이다.[35] AMSD 결과는 베릴륨 미러 구축에 활용되었다.[35]

  • OTE 패스파인더가 열 진공 챔버로 헤딩, 2015

  • 2013년 컨테이너의 클린룸으로 운반되는 엔지니어링 테스트 유닛(ETU) 미러 세그먼트

  • Beam Image Analyzer가 표시되어 2012년 극저온 진공 상태에서 OSIM을 테스트할 준비를 하고 있다.[34]

다이어그램 1

광학 망원경 요소의 라벨 도표

갤러리

  • 2013년 Marshall Space Flight에서 테스트 후 백플레인

  • 2016년 4월 조립된 OTE

  • 18개 세그먼트 중 12개가 연결된 백플레인, 보호를 위해 세그먼트를 덮어씌우는 경우

  • 거의 완전히 조립된 기본 미러(18/18 세그먼트), 커버가 있고 마지막 세그먼트를 가진 로봇 암이 2016년 2월

  • 백플레인 조립체 2015년 Goddard에 도착

  • 광학 망원경 요소의 모든 구성 요소

참고 항목

참조

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외부 링크