Прототип телескопа, разработанный и построенный исследователями Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), был запущен с мыса Канаверал, штат Флорида, на Международную космическую станцию (МКС).
Телескоп, известный как Stellar Occultation Hypertemporal Imaging Payload (SOHIP), использует запатентованную LLNL технологию монолитной оптики на подвесе для наблюдения и измерения атмосферных гравитационных волн и турбулентности.
Запущенный во вторник прибор SOHIP будет установлен в рамках программы космических испытаний Министерства обороны США на платформе Houston 9 после того, как он окажется на борту МКС.
Междисциплинарная группа из Ливермора произвела прибор SOHIP и выполнила строгие требования безопасности НАСА для включения в МКС НАСА, сначала лабораторию. SOHIP также был доставлен вовремя и при скромном бюджете всего в 1 миллион долларов.
«Наша цель состояла в том, чтобы спроектировать, разработать и поставить пару компактных, прочных моноблочных телескопов, используя запатентованную монолитную технологию Лаборатории и готовые детали, требующие минимального или нулевого тестирования на орбите для включения на МКС», — сказал Пит. Супсинскас, главный космический технолог программы LLNL по космической науке и безопасности. «И мы достигли этой цели».
Гиперзвуковые транспортные средства — самолеты или ракеты, — движущиеся со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука, ниже высоты 90 километров (км) / 56 миль — работают в экстремальных, непредсказуемых условиях верхних слоев атмосферы, что может повлиять на летные характеристики . Атмосферные гравитационные волны — колебания воздуха, которые переносят энергию и импульс из нижних слоев атмосферы в верхние, поскольку они распространяются вертикально и горизонтально — создают турбулентность, как океанские волны , разбивающиеся о пляж.
«Если пограничный слой гиперзвукового транспортного средства подвергается воздействию атмосферной турбулентности на пути его полета, аэродинамическое сопротивление и нагрев транспортного средства значительно увеличиваются, что влияет на управление транспортным средством», — сказал Мэтью Хорсли, физик LLNL и главный исследователь SOHIP. «Если бы мы могли точно предсказать условия, которые вызывают эти неустойчивые гравитационные волны или гиперзвуковые потоки, это могло бы помочь улучшить конструкцию транспортного средства, снизить затраты и улучшить общие характеристики гиперзвукового полета».
Понимание атмосферы
Одним из хорошо известных данных о верхних слоях атмосферы является показатель преломления воздуха, измеряемый по температуре и плотности. Другой измеримый аспект условий в атмосфере Земли — это то, как свет проходит через нее — происходит искривление лучей, чувствительное к среднему показателю преломления. Турбулентность также влияет на свет, заставляя его мерцать. Это причина того, что звезды кажутся мерцающими на ночном небе.
Команда разработчиков SOHIP решила использовать эти явления для определения изменений температуры и плотности атмосферы, а также использовать колебания рефракции воздуха для обнаружения турбулентности.
«Тщательно измеряя искривление лучей и мерцание, мы можем оценить свойства атмосферы, создавшей эти эффекты», — сказал Хорсли.
SOHIP использует два монолитных телескопа, прикрепленных к карданному узлу. Подвес позволяет камерам телескопов нацеливаться на две яркие звезды в «следе» МКС. «Настоящая проблема заключается в том, что каждая камера должна отображать звезду с частотой кадров более 1000 кадров в секунду», — сказал Лэнс Симмс, руководитель отдела полетного программного обеспечения и операций SOHIP. Для достижения такой высокой частоты кадров требуется считывание всего лишь крошечного подмассива или «окна» сенсора камеры.
«Отслеживание видимого движения звезды и удержание его в этом окне с помощью подвеса приведет к неприемлемым вибрациям. Поэтому мы разработали специализированную прошивку и алгоритмы, чтобы подвес оставался неподвижным, а окно вместо этого отслеживало звезду по датчику».
Высокая частота кадров облегчает количественную оценку наблюдаемого мерцания , а относительные измерения между двумя телескопами позволяют исключить движение платформы и вибрацию. Первый телескоп имеет узкое поле зрения, и после установки на МКС он будет наблюдать за одной яркой звездой, «научной» звездой, когда ее луч зрения проходит через атмосферу Земли.
Второй телескоп сфотографирует вторую звезду, «опорную» звезду, которая находится на линии прямой видимости намного выше атмосферы. SOHIP измерит относительное угловое расстояние научной звезды по отношению к эталонной звезде, чтобы определить ее рефракционный изгиб. Мерцание научной звезды будет измеряться путем регистрации интенсивности научной звезды со скоростью более 1000 кадров в секунду.
Не намного больше, чем обувная коробка
На борту МКС SOHIP весит 30 фунтов и ненамного больше коробки из-под обуви. Этот чрезвычайно маленький пакет позволит получить новые данные о средней температуре, давлении и плотности атмосферы, а также о силе турбулентности на беспрецедентной высоте и с беспрецедентной точностью.
«SOHIP может предоставить возможности для оптимизации конструкции гиперзвукового летательного аппарата и летных характеристик. Данные, которые SOHIP собирает о гравитационных волнах под разными углами и о положении звезд, будут использоваться в будущих миссиях, что позволит нам усовершенствовать алгоритмы для прогнозирования условий верхних слоев атмосферы», — сказал Дэвид Патрик, главный инженер. для проекта SOHIP.
В последующем технико-экономическом обосновании под руководством лабораторных исследований и разработок (LDRD) под названием «Дистанционное наблюдение гравитационных волн с использованием нескольких наборов спутниковых данных» изучается возможность объединения данных SOHIP с данными трех других инструментов на МКС для измерения атмосферных гравитационных волн, которые возмущают верхняя атмосфера.
«Мы изучаем, можно ли объединить различные свойства атмосферы, измеренные четырьмя приборами МКС, для наблюдения гравитационных волн с горизонтальным разрешением до 10 километров в верхних слоях атмосферы. Характеристика гравитационных волн позволит нам лучше понять верхние слои атмосферы
. условия и ограничивают модели атмосферной циркуляции», — говорит Дана Макгаффин, научный сотрудник отдела атмосферы, Земли и энергетики Лаборатории физических наук и наук о жизни. В настоящее время измерения позволяют наблюдать только гравитационные волны с горизонтальной длиной волны 300 километров и более.
«Мы намеревались разработать, изготовить, доставить и продемонстрировать экономичный масштабируемый орбитальный прототип, способный дистанционно наблюдать за атмосферными гравитационными волнами и высотной турбулентностью от уровня земли до высот до 70 километров», — сказал Джон Ганино, LLNL. ассоциированный руководитель программы Space Hardware.
«Тот факт, что эта команда смогла сделать что-то настолько технически сложное при таком ограниченном бюджете и сроках, является свидетельством ее опыта, духа сотрудничества и стремления к совершенству», — сказал Бен Бани, руководитель программы Лаборатории по космической науке и безопасности.