Žymiausi Amerikos astronomai sutaria, kad naujoji NASA didžiųjų observatorijų banga turėtų pasinaudoti naujomis milžiniškomis raketomis, tokiomis kaip „SpaceX Starship“, teikiamomis kėlimo galimybėmis.

Pavyzdžiui, tolesnis Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) paleidimas erdvėlaivyje galėtų išlaisvinti misiją nuo sudėtingų su masę ir dydį susijusių suvaržymų, kurie paprastai padidina sudėtingumą ir padidina išlaidas, teigė trijų astronomų grupė. Neseniai jis tai pareiškė Nacionalinių akademijų astronomijos ir astrofizikos komitetui.

„Didesnės masės ir tūrio galimybės mažesnėmis sąnaudomis praplečia projektavimo erdvę“, – sakė NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijos vyriausiasis astronomijos ir fizikos mokslininkas Charlesas Lawrence’as. „Mes norime tuo pasinaudoti.”

Lawrence’o pristatyme buvo kalbama apie didelių naujų raketų poveikį būsimoms astronomijos misijoms. Praėjusią savaitę pristatymas buvo pristatytas kartu su Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro astronomu Martinu Elvisu ir Masačusetso technologijos instituto astrofizike ir planetologe Sarah Seager. Lawrence’as, Elvisas ir Seegeris sukūrė A anksčiau šiais metais žurnale Physics Today Aptarkite šią temą.

Visuotinai pripažįstama, kad erdvėlaivio gebėjimas pakelti į kosmosą daugiau nei 100 metrinių tonų už nedidelę esamų raketų kilogramo kainą pakeistų platesnės kosmoso pramonės veikimo būdą. Erdvėlaivio skersmuo yra 9 metrai (naudingajai apkrovai galima naudoti 8 metrus), o tai beveik dvigubai viršija bet kurios esamos raketos naudingosios apkrovos tūrį.

Tačiau astronomai rimtai pradeda planuoti raketas, tokias kaip „Starship“ arba „Blue Origin“ „New Glenn“ su šiek tiek mažesniu 7 metrų naudinguoju kroviniu, kad būtų galima pakelti naujos kartos didelius kosminius teleskopus.

Dideli teleskopai ant didelių paleidimo įrenginių

Nacionalinės akademijos 2021 m Kartą per dešimtmetį pateikite apžvalgą Astronomija ir astrofizika yra pagrindinis Amerikos mokslo bendruomenės prioritetas. Šioje apklausoje, žinomoje kaip Astro2020, iškili mokslininkų grupė parengė planą, pagal kurį NASA didžiąją 2020-ųjų dalį skirs technologijų ir projektų kūrimui kitos serijos „didžiųjų observatorijų“, kurios bus tokios, kaip Hablo ir Čandros. James Webb ir Rumunijos kosminis teleskopas turėtų būti paleistas 2027 m.

NASA politika yra laikytis mokslo bendruomenės rekomendacijų, kur tik įmanoma. Manoma, kad kada nors dešimtmečio pabaigoje NASA turėtų būti pasirengusi oficialiai pradėti šių naujų teleskopų kūrimą. Pirmiausia būtų didelis teleskopas, vadinamas Habitable Worlds Observatory, kuris savo dydžiu būtų panašus į Webb teleskopą su maždaug 6 metrų (20 pėdų) pločio pirminiu veidrodžiu ir vainiku arba žvaigždės šešėliu, blokuojančiu žvaigždžių šviesą, leidžiantį tiesiogiai stebėti aplinkines planetas. kitos planetos. Žvaigždės arba egzoplanetos. Šios galimybės nėra Webb.

„Habitable Worlds“ observatorija, kurios jautrumas šviesai infraraudonųjų, matomų ir ultravioletinių bangų ilgiuose, bus įpareigotas stebėti į Žemę panašias egzoplanetas pasauliams, kurių struktūra palaiko gyvybę. Vėliau NASA turėtų paleisti panašius ambicingus tolimojo infraraudonųjų spindulių ir rentgeno spindulių teleskopus žvaigždžių, juodųjų skylių ir galaktikų formavimuisi tirti, ką mokslininkai rekomendavo 2021 m.

Šios didelės naujos kelių milijardų dolerių misijos prasidės tik 2040 m. Tai yra „blokuojanti laiko juosta“, – rašė Elvis ir jo kolegos savo dokumente, paskelbtame anksčiau šiais metais. „Kai bus paleistos pirmosios observatorijos, šiandien nukaldinti naujieji daktaro laipsniai bus vos per dešimtmetį iki pensijos.

NASA neturi biudžeto juos paleisti artimiausiu metu, o naujiems teleskopams reikia optikos, detektorių ir medžiagų naujovių, kad jie būtų įmanomi.

Mokslininkai teigė, kad naujų didelių raketų atsiradimas gali sumažinti kai kurias iš šių technologinių kliūčių. Galų gale tai gali padėti supaprastinti dizainą, sumažinti išlaidas ir galbūt sutrumpinti laiką, reikalingą kuriant ir pastatyti kitas puikias observatorijas. Galbūt jiems nereikia laukti iki 2040-ųjų, kad jį pradėtų. Tai svarbūs veiksniai, kai preliminariais Nacionalinių akademijų skaičiavimais rodo, kad Gyvenamųjų pasaulių observatorija kainuos apie 11 mlrd.

„Dizainas labai riboja paleidimo įrenginiai, norimai orbitai prieinamas dydis ir masė, o tai neišvengiamai padidina sudėtingumą ir kainą“, – sakė Ilvesas.

Per ateinančius kelerius metus inžinieriai, dirbantys su pirminiais šių naujų teleskopų projektais, turi iš naujo įvertinti savo prielaidas apie raketų tipus, kuriais bus galima paleisti misijas į kosmosą, sakė Elvisas.

„Siūlome atlikti visų trijų Astro2020 flagmanų, jų naudingųjų krovinių ir erdvėlaivių tyrimus naujajame Starship modelyje arba bet kuriame dideliame paleidimo modelyje, kad būtų galima pasinaudoti atviros konstrukcijos erdve“, – praėjusią savaitę sakė Elvis.

„Didieji klausimai yra šie: ar tikrai pagrįstai sutaupome daug išlaidų ir ar dėl to galima paspartinti „Astro2020“? jis pridėjo.

Raketos tironija

Norėdami iliustruoti apribojimus, kuriuos nustato raketos pajėgumai, grįžkime prie Jameso Webb kosminio teleskopo. Webb turėjo tilpti į beveik 5 metrų skersmens raketos „Ariane 5“ naudingosios apkrovos gaubtą, kuris turėjo didžiausią naudingosios apkrovos apvalkalą iš visų nešančiosios raketų, kai inžinieriai pirmą kartą kūrė Webb. Tai reiškė, kad teleskopo 18 atskirų pirminių veidrodžių segmentų turėjo būti sulankstyti, o dizaineriai sukūrė penkių sluoksnių teniso aikštelės dydžio skėtį nuo saulės, pagamintą iš neryškios, bet veiksmingos izoliacijos, kuri blokuotų saulės šilumą ir teleskopo šviesą. Visa tai turėjo susidėti, kad Webb galėtų atsidurti raketos ribose, kai ji bus paleista 2021 m.

Su didesne raketa, tokia kaip „Starship“ ar „New Glenn“, būsimasis teleskopas galėtų naudoti vienalytį veidrodį, todėl nebereikės segmentuotų veidrodžių. Yra mokslinių argumentų, leidžiančių teigti, kad segmentuoti veidrodžiai gali būti geresni kai kurioms programoms, tačiau žiuri vis dar nėra. Be to, užuot reikėję sudėtingo išskleidžiamo skėčio nuo saulės, kuris būtų linkęs sugesti, inžinieriai galėtų sumontuoti didesnį, standų stogelį, apvyniotą aplink visą teleskopą.

Mokslininkai teigė, kad jei teleskopo veidrodžiai būtų paleisti į tokią masyvią raketą kaip „Starship“, jie būtų storesni ir sunkesni, o tai reiškia, kad juos būtų lengviau gaminti ir poliruoti. Sunkesnė raketa gali leisti erdvėlaivių dizaineriams pridėti didesnių saulės baterijų, kad gautų papildomos energijos. Papildoma galia leistų erdvėlaiviui naudoti pigesnę elektroniką su didesniu pertekliumi, sakė Elvisas.

„Viena didžiausių Jameso Webbo kosminio teleskopo pamokų buvo tai, kaip svarbu iš anksto ir išsamiai suprasti raketas“, – sakė Lee Feinbergas, Webb optikos direktorius ir Techninio vertinimo grupės, tiriančios Gyvenamų pasaulių observatoriją, vienas iš vadovų. Svarbiausias dalykas yra tai, kad norime lankstumo. „Mums liko daugiau nei 20 metų iki misijos.

Kas žino, kokios raketos skris 2040-aisiais? Dėl Romos kosminio teleskopo, kurį planuojama paleisti po kelerių metų, NASA pareigūnai manė, kad turės galimybę rinktis iš kelių raketų. Pasirodo, kad naujos raketos, tokios kaip „United Launch Alliance“ „Vulcan“ ir „Blue Origin“ „New Glenn“, nebuvo paruoštos, kai NASA reikėjo pasirinkti paleidimo rangovą. Hipotetiškai sutartis buvo skirta „SpaceX“ paleisti „Falcon Heavy“ raketą.

„Tai tikrai pabrėžia raketų lankstumo svarbą“, – sakė NASA Goddardo kosminių skrydžių centro inžinierius Feinbergas. Neseniai jis susitiko su „SpaceX“ ir „Blue Origin“. „Dabar manome, kad New Glenn ir Starship atrodo daug žadantys“, – sakė jis.

Yra ir kitų naujų raketų. NASA kosminio paleidimo sistema yra per brangi, kad net būtų galima apsvarstyti. „Naujasis ULA „Vulcan“ neturi daug didesnio gaubto, todėl apie tai net negalvojome“, – sakė Elvis.

Ar erdvėlaivis yra sprendimas?

Tyrimai parodė, kad erdvėlaivis, kurio skersmuo didesnis, gali tilpti į įvairius teleskopų dizainus, pavyzdžiui, svarstomą Gyvenamųjų pasaulių observatorijoje. Erdvėlaivis gali paleisti observatoriją su maždaug 6 metrų pagrindiniu veidrodžiu, sulankstytu arba atlenktu, ant šono arba nukreiptu į viršų.

„Mes nustatėme, kad su Starship jūs tikrai turite daug lankstumo“, – praėjusią savaitę Nacionalinių akademijų komiteto posėdyje sakė Feinbergas.

Žinoma, „Starship“ ir „New Glenn“ erdvėlaiviai dar nepasiekė orbitos ir jiems dar liko keli skrydžiai, kad galėtų pradėti NASA pagrindinę misiją. Tačiau „SpaceX“ ir „Blue Origin“ turi du dešimtmečius, kad įrodytų savo naujųjų raketų patikimumą, kol NASA paruoš vieną iš savo nuostabių naujų observatorijų paleidimui.

„Kol mūsų pirmoji puiki observatorija bus paleista, erdvėlaivis bus paleistas kelis kartus ir turės rekordą, pagal kurį galėsite spręsti“, – sakė Seageris.

Taip pat neaišku, kokia bus „Starship“ ar „New Glenn“ paleidimo kaina 2030-aisiais ar 2040-aisiais, tačiau tikėtina, kad tai nedidelė dalis bendrų kelių milijardų dolerių vertės observatorijos išlaidų.

Norint nusiųsti bet kurį iš šių teleskopų į gilųjį kosmosą link L2 Lagrange taško, kur jie galėtų stebėti visatą toliau nuo Žemės trukdžių, erdvėlaivis turės papildyti degalų orbitą. NASA optikos ekspertai turi klausimų, ar degalų papildymo procesas gali užteršti jautrius teleskopo veidrodžius, sakė Feinbergas. Žemoje Žemės orbitoje besiblaškantis teleskopas, laukiantis, kol jo erdvėlaivis bus papildytas degalų, taip pat gali būti veikiamas ekstremalių temperatūros svyravimų, todėl gali kilti pavojus jį sugadinti.

„Tai visi svarstymai, kuriuos turėsime suprasti per ateinančius kelerius metus“, – sakė Feinbergas. „Kai prašome („SpaceX“) pateikti daugiau informacijos, manome, kad jie mums pasakys, kai išsiaiškins šiuos dalykus, bet jie negali mums šių dalykų pasakyti dabar. Naujojo Glenno pusėje viskas kitaip, kur ką jie planuojantys paleisti (pirmuoju skrydžiu) gali patekti į L2, todėl jie yra labai arti.

Galiausiai, jei NASA norėtų tobulėti su naujos kartos kosminiais teleskopais, „Starship“ galėtų tilpti iki 10–12 metrų pločio sulankstytą veidrodį, pasak Feinbergo. Tikėtina, kad New Glen viršutinė riba bus maždaug 8 metrai. Didesni veidrodžiai padidina teleskopo surinkimo plotą, suteikdami jam geresnę skiriamąją gebą norint pamatyti mažesnius, silpnesnius objektus.

„Manau, kad mes atsidūrėme naujoje situacijoje, – sakė Elvisas. – Šie paleidimo įrenginiai keičia tai, ką galime padaryti kosmose ir kokia kaina. Tai, kaip planuojate misiją, visiškai pasikeitė.”