Телескопу "Хаббл" исполняется 30 лет

Космический телескоп "Хаббл" открыл новую эру в астрономии, но неразбериха при сборке едва не привела к провалу

 

Писатель Джон Уилфорд однажды отметил, что для того, чтобы выпустить свои статьи в печать, ему приходилось отдавать предпочтение одной из следующих тем: "Большой взрыв, большие деньги, грандиозные провалы или громкие возвращения, а телескоп "Хаббл" подпадал под каждую категорию". Он был прав. С момента запуска на орбиту 30 лет назад "Хаббл" пережил критику как дорогостоящего и нерационального проекта, крайне опасное восстановление и всеобщее признание телескопа одним из самых продуктивных средств получения научных знаний в истории.

 

Перед отправкой в свое путешествие длиной в несколько десятилетий "Хаббл" считался величайшим прорывом в астрономии с 1610 года, когда Галилео увидел в изобретенный им телескоп Юпитер. Четыре века спустя астрономы надеялись, что "Хаббл" (на тот момент самый сложный и дорогостоящий спутник, когда-либо запускавшийся в космос) позволит им разобраться в вопросах Большого взрыва. В результате 12 лет проектирования, испытаний и строительства была создана сверкающая алюминиевая капсула, призванная разрушить границы пространства и времени, чтобы получить четкие изображения небесных тел и событий, которые до этого нельзя было ни увидеть, ни вообразить.

 

"Хаббл" раскроет секреты мироздания", - обещал Леннард Фиск, главный научный консультант Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА).

 

Однако ошибка в форме главного зеркала "Хаббла" оставалась незамеченной в течение 10 лет, пока в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, не получили нечеткие снимки с его широкоугольной и планетарной камеры. Ошибку отследили до крошечного скола в покрытии и трех шайб, которые сделали невозможной выполнение главной задачи "Хаббла" - изучения объектов глубокого космоса. Репутация "Хаббла" стала стремительно падать. Конгресс негодовал, СМИ не давали поблажек, а разочарованный народ требовал призвать к ответу виновного в этом фиаско. Заголовки типа "Ошибка астрономического масштаба", "Миссия невыполнима" и "Космический телескоп не видит дальше собственного носа" наводнили новостные репортажи и первые полосы газет. Над "Хабблом" смеялись ведущие вечерних программ, он стал синонимом технической некомпетентности.

 

Разумеется, такого провала не ожидали, когда 24 апреля 1990 года в 8:33 утра космический шаттл "Дискавери" был запущен с мыса Канаверал и, оставляя за собой шлейф из огня и пара, устремился в чистое голубое небо над Флоридой, в путешествие длиной в 381 милю на низкую околоземную орбиту. На следующий день астронавт Стивен Хоули, управляя механическим манипулятором на шаттле, осторожно поднял эту птичку стоимостью 2 миллиарда долларов из ее гнездышка в грузовом отсеке. Первая в мире космическая обсерватория отправилась в свободный полет.

 

"Хаббл" длиной 43 фута и шириной 14 футов облетал Землю 15 раз в день на скорости 1700 миль в час. Телескоп размером с вагон-цистерну "был похож на вытянутую детальку из детского конструктора", как сказал один автор. Пара крыловидных панелей (23,3 фута в длину и 8,6 фута в ширину) была покрыта почти 100 тысячами кремниевых солнечных элементов размером не больше почтовой марки. Они генерировали все необходимое электричество для питания космического аппарата.

 

Размытые изображения

 

Окуляр "Хаббла" шириной 10 футов открылся 20 мая, принимая свет с края вселенной на идеально отполированной поверхности главного зеркала телескопа. Пришло время делать снимки.

 

Вогнутое зеркало диаметром 94 дюйма передавало свет на выпуклое вторичное зеркало, установленное на 16 футов выше. 12-дюймовое зеркало передавало направленный свет через центр 2-футового отверстия в главном зеркале на пять исследовательских приборов размером с холодильник. Две цифровые камеры, два спектрографа и высокоскоростной фотометр позволяли "Хабблу" наблюдать видимый, ультрафиолетовый и инфракрасный свет.

 

Широкоугольная и планетарная камера стоимостью 68 миллионов долларов должна была работать 50% времени работы телескопа. Успех миссии зависел от ее способности фокусироваться на первичных галактиках и звездах и отправлять изображения четкостью, в 10 раз превышающей возможности обсерваторий, расположенных на вершинах гор. Вместо этого на экранах центра управления появились размытые объекты, окутанные пушистым ореолом.

 

Операторы потратили недели, пытаясь сфокусировать изображение, но ничего не действовало. А все потому, что главное зеркало было подвержено сферической аберрации, из-за которой свет рассеивался, а не фокусировался в заданной точке. Светосила "Хаббла" составляла всего 15%, вместо расчетных 85%. Аналогичные проблемы коснулись также камеры обнаружения слабоконтрастных объектов, спектрографа для слабоконтрастных объектов и инфракрасного спектрометра.

 

Зеркало в форме чаши требовало совершенно идеальных контуров для точного сбора и направления света, но его внешний край оказался слишком плоским, на 0,000004 дюйма (одна пятая толщины человеческого волоса).

 

НАСА отменило наблюдение за слабоконтрастными отдаленными объектами с помощью широкоугольной и планетарной камеры, но "Хаббл" все еще мог выполнять научные исследования, недоступные обсерваториям на Земле. Чтобы доказать, что камеры телескопа все же могут работать эффективно, НАСА выпустило цветные, обработанные на компьютере снимки с большей четкостью, чем искаженные оригиналы.  Среди них было первое изображение Харона, небольшой луны на орбите Плутона; крупные снимки Сатурна и его колец; а также ударные волны от взорвавшейся звезды.

 

"Я рад и подавлен одновременно", - заявил репортерам Риккардо Джаккони, директор Института исследований космоса с помощью космического телескопа. "Хаббл" наконец выполняет первоклассные научные исследования, но мы еще три года не сможем заниматься тем, чем собирались".

 

В декабре 1999 года астронавт Клод Николье из Европейского космического агентства работал над блоком хранения данных, используя специальный монтажный инструмент.

"Проводить работы с "Хабблом" в открытом космосе - это то же самое, что выполнять операцию на мозге, вися вниз головой, с завязанными глазами и с прихватками на руках", - говорит астронавт Джон Грансфелд.

Совершенное исполнение... Совершенно неверное

В 1977 году НАСА выбрало компанию Perkin-Elmer Corp. в качестве основного подрядчика для изготовления оптической системы телескопа и датчиков точного наведения. За плечами компании был сорокалетний опыт в создании телескопов и оптики для обсерваторий и спутников для аэрофоторекогносцировки. Нуль-корректор от компании Perkin-Elmer (аппарат, способный распознать мельчайшие отклонения в изгибах зеркала телескопа), стал основным фактором для космического агентства при принятии решения. Как и то, что компания намеренно снизила стоимость "контракта с возмещением затрат плюс вознаграждение" на 69,4 миллиона долларов, который в итоге обошелся в 450 миллионов (что сегодня равноценно 2,6 миллиардам долларов).

 

Иронично, что компания Perkin-Elmer изготовила главное зеркало, технические характеристики которого превзошли заданные в спецификации на 20%. Поверхность изготавливалась с такой скрупулезной точностью, чтобы кривизна не отклонялась более чем на 0,0000018 дюйма, что на порядок меньше длины волны света. Исполнение зеркала было совершенным, но совершенно неправильным.

 

Производство главного зеркала началось в компании Corning Glass Works на севере штата Нью-Йорк, куда компания Perkin-Elmer передала субподряд на изготовление заготовки стекла. В Corning использовался процесс литья диска из закаленного стекла с минимальным коэффициентом теплового расширения, что делало его устойчивым к резким перепадам температур. В печи при температуре 3600 градусов нагревался расплав диоксида кремния и оксида титана, образуя пару одинаковых стеклянных пластин толщиной 2 дюйма, приплавленных с обеих сторон сотовой решетки, состоящей из 10 шестигранных перекладин. Круговая составная конструкция весом 2000 фунтов оказалась на 75% легче стеклянных заготовок того же размера.  Компания Corning доставила готовое изделие в Perkin- Elmer в декабре 1978 года для придания ему формы, полировки, проведения замеров и нанесения покрытий.

 

С помощью станка с алмазным резцом зеркалу придали необходимую вогнутость и вырезали по дюйму с каждой лицевой панели. Придание формы и полировка выполнялись с помощью механической руки, вращающейся по поверхности зеркала, с применением небольшой абразивной насадки, выполняющей точные движения по крупнозернистому материалу. После использования более мелкозернистого абразивного материала вес зеркала снизился до 1825 фунтов, и его контур был окончательно отполирован. Нагрузки, скорость вращения и давление задавались компьютерами, что для зеркала космического аппарата применялось впервые. Последующая тщательная полировка вручную обеспечила безупречно гладкую поверхность.

 

Это изображение туманности Конская Голова в созвездии Ориона было получено космическим телескопом "Хаббл" в 2012 году.

Критическая ошибка

Процедуры формовки и полировки длились от 10 часов до 10 дней, сменяясь испытаниями точности кривизны, проводимыми с помощью нуль-корректора. Этот прибор обеспечивает точное соблюдение производственных допусков. Похожий на усеченную пивную бочку, этот прибор стоимостью миллион долларов обнаруживает, анализирует и сообщает о дефектах поверхности в одну миллионную дюйма, что значительно превосходит точность других приборов.

 

Нуль-корректор крайне чувствителен к вибрациям, поэтому его держали в небольшом отсеке, закрепленном на потолке. После каждого действия по формовке и полировке, технические специалисты перемещали зеркало по направляющим и располагали его непосредственно под нуль-корректором. Испытания проводились ночью, чтобы избежать вибраций от 18-колесных грузовиков, проезжающих по ближайшему шоссе. С парковки компании убрали лежачих полицейских, а кондиционирование воздуха отключили. Ни одно из 28 испытаний, проведенных за 11 месяцев, не показало признаков сферической аберрации, то есть все они были ошибочными.

 

Измерения выполнялись неправильно, поскольку два небольших зеркала и линзы корректора были неправильно собраны. Первое зеркало направляло свет лазера на другое такое же, которое отражало его на линзы в основании устройства. Линзы направляла свет в фокусную точку главного зеркала для проверки кривизны с помощью интерферограмм. Равномерно распределенные волны указывали на правильность кривизны. Неравномерные, прерывающиеся волны предполагали наличие дефектов.

 

Линзу нуль-корректора нужно было устанавливать на определенном расстоянии под точкой фокуса зеркала, отражающего на нее свет. Чтобы обеспечить точность, при испытаниях технические специалисты использовали металлический измерительный стержень соответствующей длины. Лазерный луч направляли в точечное отверстие в центре круглого алюминиевого наконечника на верхнем конце стержня. Прямое попадание через это отверстие на отражающий стержень привело бы к отражению волн, что говорит о точности настройки зеркала и линз. Наконечник был покрыт неотражающей черной краской, чтобы избежать попадания лазера куда-либо, кроме заданного отверстия, однако крошечный кусочек краски откололся. Свет отразился от этого открывшегося участка, и передаваемые данные, которые считались достоверными, оказались неточными.

 

Когда измерительный стержень установили на нуль-корректоре, держатель линз оказался коротким, а значит, что-то пошло не так. Но находясь под давлением и стремясь быстрее закончить работу, технические специалисты закрепили держатель и линзы тремя плоскими шайбами, которые продаются в обычных хозяйственных магазинах за четвертак. Настройка линз сместилась на 1,3 мм, что в 10 раз превышало заданные границы. Ошибка в сборке стала непосредственной причиной постоянной сферической аберрации главного зеркала.

 

Компания Perkin-Elmer провела перекрестный контроль точности нуль-корректора с помощью двух более компактных и менее мощных приборов. Оба показали искаженные, прерывистые волны, что указывало на деформацию зеркала. Руководство проигнорировало эти данные, полагая, что менее мощные приборы были недостаточно точными по сравнению с последней моделью. Рекомендации специалистов провести дополнительные испытания не возымели результата. Компания не уведомила об этом НАСА.

 

НАСА также не настаивало на дальнейших испытаниях, несмотря на отказ инспектора, направленного в Perkin-Elmer подтвердить точность готового изделия. Испытание всей системы с главным и вторичными зеркалами, установленными на "Хаббл" посчитали слишком дорогостоящим. В результате, неисправный нуль-корректор, неправильно собранный и испытанный ненадлежащим образом, выдавал неверные данные на деформированное зеркало, что оставалось незамеченным, пока спустя 10 лет на экранах НАСА не возникли расплывчатые изображения.

 

Главное зеркало, промытое 2400 галлонами деионизированной воды, с отражающим алюминиевым покрытием, нанесенным в вакууме, и фторидом магния, осажденным из газовой фазы, было доставлено в компанию Lockheed в Кремниевой долине в 1984 году. Компания Lockheed, основной подрядчик по работе со вспомогательным модулем системы, должна была выполнить испытания, установку и проверку систем, обеспечивающих функционирование "Хаббла". Сюда входили солнечные панели, две антенны связи, шесть никель-водородных батарей, шесть гироскопов, три датчика системы точного наведения, четыре маховика, два компьютера и титановое кольцо, опоясывающее главное зеркало. Вся конструкция в сборе помещалась в алюминиевую обшивку, покрытую 16-слойной теплоизоляцией из каптона для отражения тепла Солнца. Наружная оболочка из алюминизированного тефлона должна была обеспечивать защиту от космического мусора. Телескоп был готов к полету.

 

НАСА отложило завершение работ по вспомогательному модулю системы, когда 28 января 1986 года шаттл "Челленджер" взорвался вскоре после запуска. "Хаббл" весом 24500 фунтов, содержащий 400000 деталей, 15000 миль проводов и одну сферическую аберрацию, прибыл в космический центр Кеннеди лишь спустя четыре года.

 

В декабре 1999 года астронавты Колин МайклФоул (слева) и Клод Николье работают над установкой датчика системы точного наведения на космический телескоп "Хаббл".

Технологический триумф

4 декабря 1993 года космический шаттл "Индевор" остановился в пределах 30 футов от "Хаббла" и развернул 50-футовый механический манипулятор, направивший обсерваторию на специально изготовленную платформу в грузовом отсеке. Миллионы зрителей следили по телевизору за тем, как астронавты вышли в открытый космос возле "Хаббла" и перемещались по передвижной платформе, чтобы снять высокотехнологичные компоненты и научные приборы. Четыре астронавта, облаченные в массивные скафандры и тяжелые перчатки, работали в парах более пяти дней, чтобы починить телескоп.

 

"Проводить работы с "Хабблом" в открытом космосе - это то же самое, что выполнять операцию на мозге, вися вниз головой, с завязанными глазами и с прихватками на руках", - отметил Джон Грансфелд, проведший в открытом космосе 58 часов, включая последнюю миссию по обслуживанию "Хаббла" в 2009 году.

 

Перед тем, как решиться выйти в космос, астронавты провели 400 часов, тренируясь выполнять свои задачи в бассейне глубиной 25 футов в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне. В 350-фунтовых скафандрах их поднимали с помощью кран-балки и помещали в бассейн, имитируя условия невесомости. Точные копии оборудования, требующего ремонта, находились на дне бассейна, включая сотни болтов, которые нужно было отвинтить, чтобы получить доступ к модулям, в которых находились приборы. Оказавшись в этих тесных пространствах, астронавты сталкивались с лабиринтом винтов и вилок, которые предстояло отсоединить и установить заново.

 

Инженеры проанализировали видеозаписи каждой такой тренировки. Эти наблюдения позволили им уточнить, какие именно действия и инструменты помогут астронавтам поднимать и передавать друг другу предметы размером с коробку для обуви или с пианино. Энергетический механизированный инструмент, основное приспособление в первых трех миссиях по обслуживанию, позволяет настраивать скорость и крутящий момент, при этом каждый его оборот записывается в компьютер. Эти данные помогли проектировщикам создавать более эффективные инструменты и более подробно определять процессы, которые понадобятся в будущих миссиях.

 

Джеффри Хоффман и Стори Масгрейв были первыми астронавтами, работавшими над "Хабблом" в открытом космосе. Благодаря фиксаторам стоп, закрепленным на манипуляторе, астронавты могли безопасно перемещаться влево, вправо, вверх и вниз вокруг телескопа. Находясь в открытом космосе, привязанный тросом к шаттлу Масгрейв снял крышку, закрывающую отсек с гироскопами. Хоффман установил небольшую металлическую коробку с блоком датчиков скорости, в каждом из которых находились новые гироскопы на замену старым.

 

На следующий день Том Эйкерс и Кэтрин Торнтон убрали две поврежденные солнечные панели. Одна из них согнулась под углом 90 градусов, а сотни крошечных солнечных элементов отделились от каждой из них. Через три дня Хоффман и Масгрейв столкнулись с проблемами после установки новых панелей. Зажимы разблокировались, но панели не разворачивались. Корректирующие сигналы с земного центра управления не вызвали никакой реакции, поэтому два астронавта вручную запустили механизм развертывания панелей.

 

На третий день Масгрейв и Хоффман сняли болты с люка для доступа в модуль, где хранилась широкоугольная и планетарная камера WFPC. Они достали камеру WFPC и установили WFPC-2, оборудованную самонастраивающейся оптикой, нейтрализующей сферическую аберрацию на главном зеркале. На следующий день Торнтон и Эйкерс открыли дверцы заднего экрана и установили громоздкую и высокотехнологичную систему оптической коррекции (COSTAR). Пять зеркал COSTAR размером с монету разместили на опорах, нацеленных на камеры обнаружения слабоконтрастных объектов и два спектрометра. Зеркала прерывали и корректировали отклоняющиеся лучи с главного зеркала.

 

Миссия по обслуживанию стоимостью 629 миллионов долларов прошла успешно. Вскоре телескоп стал передавать впечатляющие изображения галактик и звезд, сформировавшихся у истоков времени и пространства. В ходе еще четырех миссий в течение 16 лет "Хаббл" снабдили системами и устройствами, значительно превышающими технологические возможности исходного оборудования.

 

"Хаббл" был рассчитан на 15 лет работы, но вместо этого к своему 30-летнему юбилею 24 апреля в его базе данных будет зарегистрировано 10950 дней, почти 4 миллиарда миль пути и 164250 оборотов вокруг земли. В НАСА предполагают, что обсерватория будет эффективно функционировать еще пять лет, а возможно и дольше.