«Миллиметрон»: как создается самый сложный космический телескоп России

[zelenyikot]

За Окой, на границе Московской и Тульской областей в наукограде Пущино создаётся наше астрофизическое будущее. Пущинская обсерватория не прославилась мировыми открытиями, но как технологическая и испытательная площадка более полувека вносит свой важный вклад в изучение дальнего космоса. Сегодня там создается и испытывается самый сложный российский космический телескоп.



В советские годы в Пущино осваивали технологию РСДБ, которая впоследствии позволила увидеть «тень черной дыры». В этой технологии используется несколько телескопов, размещенных на большом расстоянии друг от друга, данные с которых суммируются так, будто наблюдения велись с одного гигантского телескопа. В 90-е здесь создавали радиотелескоп КРТ-10, который стал основой радиоастрономической программы «РадиоАстрон». Сегодня же здесь не только ловят быстрые радиовсплески живописными радиотелескопами, но и создают новый космический телескоп миллиметрового диапазона - «Миллиметрон».

О том, почему важно наблюдать Вселенную во всех диапазонах электромагнитного излучения, и как для этого создаются космические телескопы серии «Спектр» мы говорили ранее. Несколько лет назад ученых радовал космический радиотелескоп «Спектр-Р», в настоящее время открытия дарит рентгеновский «Спектр-РГ», готовятся «Спектр-УФ» и «Спектр-М». Последний «Спектр», он же «Миллиметрон», должен завершить эту серию.

Мне удалось побывать в лаборатории, где ведется разработка и испытание самого сложного элемента «Миллиметрона» - десятиметрового углеволоконного главного зеркала телескопа.

Что главное в телескопе?

Самая важная часть телескопа, начиная от радио- и заканчивая ультрафиолетовыми - это главное зеркало. Оно позволяет собирать электромагнитное излучение и фокусировать на принимающие детекторы. Чем больше излучения может собрать зеркало и направить в нужную точку, тем «резче» телескоп, или в научных терминах - выше его угловое разрешение. Поэтому у главного зеркала телескопа есть два ключевых показателя, от которых зависят его характеристики - диаметр, и качество поверхности.

Казалось бы с диаметром всё понятно - чем больше тем лучше, но разрешение телескопа напрямую зависит ещё и от длины электромагнитной волны, на которой ведутся наблюдения. При равном диаметре зеркала, чем короче наблюдаемые волны тем будет выше «резкость» телескопа. Такая же зависимость у качества поверхности - чем короче длина волны, тем выше требование к гладкости зеркала. Понятное дело, если мы хотим наблюдать коротковолновое излучение нам нужно добиться высокого качества поверхности зеркала.

Неровности зеркала, или как говорят ученые «среднеквадратичные отклонения» должны быть в 14 раз короче длины волн, для собирания которых создается телескоп. Например телескопам для наблюдения в диапазоне метрового излучения, даже не нужна привычная «тарелка», точнее не нужно её заполнение - достаточно натянуть металлическую сетку на тарельчатый каркас.

Телескопам сантиметрового диапазона достаточно гладкости в пределах миллиметра. Поэтому традиционные тарельчатые антенны нами не воспринимаются как зеркала из-за неровностей поверхности, хотя в своем диапазоне они прекрасно отражают.



Миллиметровые телескопы должны иметь уже микрометровое качество поверхности. А в зеркалах субмиллиметровых телескопов уже можно увидеть отражение, хотя и довольно «шумное».



Как сделать космический телескоп?

С наземными телескопами ученым проще - их можно изготавливать гигантскими, устанавливать на массивные каркасы, корректировать зеркало после установки. В космосе же такое повторить намного сложнее. Грузоподъемность ракет ограничена, как и пространство под обтекателем. Например телескоп Hubble или инфракрасный Herschel - «подкалиберные», т.е. целиком помещались под головной обтекатель и разворачивали в космосе только солнечные батареи и антенны.

«РадиоАстрон» же имел раскладную антенну, неровности которой не должны были превышать примерно 2 мм. Но даже такой показатель удалось выдержать примерно только на половине площади антенны для самой короткой длины волны.



Именно из-за этих сложностей, раскладное зеркало будущего космического инфракрасного телескопа NASA James Webb - просто фантастика, потому что там самая короткая длина волны - 600 нанометров, соответственно погрешности зеркала не должны превышать 42 нанометра. Нанометр, напомню - это одна миллионная часть миллиметра.



Миллиметровый диапазон лежит между радиоволнами и инфракрасными лучами, поэтому сложность создания «Миллиметрона» где-то между «РадиоАстроном» и James Webb. Для зеркала «Миллиметрона» допускаются отклонения до 5 микрон (микрон, микрометр - это одна тысячная миллиметра). И для нашей космонавтики это столь же амбициозный и сложный вызов, как и инфракрасный телескоп-трансформер для NASA.

Чтобы повысить качество наблюдений, снизить шум, и расширить возможности ловли самого слабого излучения, зеркала «Миллиметрона» планируется охлаждать до сверхнизких температур. И это желание ученых - новая головная боль для инженеров. Каждый материал обладает свойством теплового расширения - при нагревании объем увеличивается, а при остывании уменьшается. Поэтому недостаточно создать идеальное раскладное зеркало, запустить его в космос и безошибочно раскрыть в рабочем положении. Надо сохранить его форму при охлаждении на две с половиной сотни градусов ниже нуля по Цельсию.

Американцы для главного зеркала James Webb использовали бериллий - этот металл имеет крайне низкий коэффициент теплового расширения, т.е. практически не меняет свой объем от комнатной температуры до почти абсолютного нуля. Но металлическое зеркало тяжелое, даже из относительно лёгкого бериллия, поэтому металл подходит для 6,5 метрового зеркала James Webb, но не годится для 10 метрового «Миллиметрона». Наши инженеры решили использовать другой материал - углеродный композит. И это новый вызов, поскольку композиты пока намного менее понятные материалы, чем металлы.



Зеркало из композита

Создание композитного зеркала «Миллиметрона» начиналось с исследования принципиальной возможности применения этого материала в поставленных задачах. Потребовалось выбрать подходящий материал, освоить технологию, изготовить первые образцы и испытать их в сверхнизких температурах.



Первоначально композитное сырье - препреги - закупали в Японии, но сейчас НИИ Космических и авиационных материалов наладил российское производство. Из углеволокна изготавливают элементы внутреннего каркаса зеркала и его поверхность. Для придания отражающих свойств зеркалу, поверх композита будет ещё нанесено алюминиевое покрытие.

Зеркало «Миллиметрона» будет состоять из 96 сегментов, 72 из которых будут разворачиваться после выведения на рабочую орбиту.



Для придания идеально гладкой поверхности композитным элементам зеркала «Миллиметрона» используются ситалловые формы. Их изготавливают на Лыткаринском заводе оптического стекла.



Всего таких форм должно быть четыре по одному на каждый ряд сегментов зеркала. Точность поверхности ситалловой формы - 1 микрон. Точность композитных сегментов космического телескопа, которые сейчас получаются на этих формах - около 4 микрон, т.е. необходимая точность достигнута.

Качество изготовления сегментов зеркала контролируют с помощью калибровочных стендов.



В отдельной лаборатории, там же Пущино проводят криогенные испытания.
Ванна, похожая на спальню Дракулы или капсулу для межзвездного полёта - это испытательный стенд.



В ванну укладывают испытываемый сегмент зеркала, устанавливают датчики, и заливают жидким азотом. Затем измеряют насколько изменилась форма сегмента под действием холода.



Температура жидкого азота около -196°C, на орбите же поверхность зеркала должна охладиться до температуры -269°C, т.е. всего на 4 градуса выше абсолютного нуля. Такое охлаждение возможно только если телескоп полностью оградить от нагрева солнечными лучами (будет ещё активная система на жидком гелии). При этом «Миллиметрон» планируют запустить в точку Лагранжа L2 системы Земля-Солнце, и ближайшая естественная тень будет в 1 млн км от телескопа. Поэтому придется свою тень носить с собой - разворачивать теплоизолирующий щит над зеркалом. Это снова роднит российский проект с американским James Webb, хотя технологически его щит реализован иначе.

Из чего состоит "Миллиметрон"?

У «американца» разворачивается плоский ромбовидный многослойный щит. На нашем телескопе - механизмы развертывания антенны и теплоизоляции совмещены, а многослойный щит повторяет контуры зеркала.

Системой развертывания зеркала и теплоизоляции занимаются в Красноярске на «ИСС им. М.Ф. Решетнева». Предварительные испытания механизма раскрытия щита, криоэкрана и телескопа уже прошли несколько лет назад.



Важный элемент космической обсерватории - принимающие детекторы. «РадиоАстрон» мог смотреть только «в точку» и не создавал изображений. На мой взгляд, это одна из причин почему его успех так и остался лишь достоянием специалистов. Графики и измерения не так наглядны, как, например эффектные пейзажи от Hubble. «Миллиметрон» же будет многофункциональным. В режиме РСДБ, работая в одном комплексе с наземными станциями, он будет смотреть в одну точку, т.е. его детектор будет в один пиксель. Но в самостоятельных наблюдениях наш телескоп сможет использовать полноценную матрицу, и его снимки будут сравнимы с картинами инфракрасного Herschel.



Детекторы готовы поставлять Италия и Южная Корея, ещё заинтересованы в совместном участии Испания, Франция и Китай, но там пока думают и никаких практических действий не предпринималось.

Платформу космического аппарата будут делать на «НПО им. С.А. Лавочкина» в подмосковных Химках. Предполагается, что это будет уже проверенный «Навигатор». На базе этой платформы уже созданы три метеоспутника «Электро-Л», два телескопа: «РадиоАстрон» и «Спектр-РГ» и одна высокоширотная «Арктика».



Поначалу «Навигатор» был сыроват, первый «Электро-Л» стабильно проработал только два с половиной года, потом начались приключения. Такой же аппарат проработал в программе «РадиоАстрон» уже семь с половиной лет. А остальные аппараты, модернизированные на основе выявленных недостатков, ещё в строю.

Зачем?

Следует рассказать о научных целях «Миллиметрона», ради которых и предпринимаются все эти небанальные усилия. Технические требования к космическому телескопу обусловлены именно научными задачами, которые намерены решить астрономы. В их числе:
- Наблюдение реликтового излучения и попытка рассмотреть его спектральные искажения. Это позволит заглянуть в самую раннюю историю Вселенной, недоступную современным телескопам.
- Изучение свойства пространства предельно близко к поверхности сверхмассивных черных дыр. В режиме РСДБ, совместно с наземными телескопами это исследование позволит «приблизиться» к сверхмассивной черной дыре примерно в тысячу раз ближе чем это сделал Event Horizon Telescope, который сумел сделать «фото тени черной дыры».
- Исследования экзопланетных систем на ранней стадии формирования планет из газопылевого диска. Взгляд на соседние планетные системы позволит лучше понять как формировалась Солнечная система в общем, и Земля в частности.
- В рамках решения вышеперечисленных задач, «Миллиметрон» сможет коснуться практически фантастического поиска «кротовьих нор» и мегаконструкций типа «сфер Дайсона» внеземных цивилизаций. Для этого не придется использовать отдельное наблюдательное время, просто если они встретятся в ходе наблюдений по основной научной программе, то телескоп сможет их заметить.

«Миллиметрона» придется подождать. Официальный срок запуска намечен на 2029 год. Сегодня ещё не завершены испытания композитных сегментов зеркала. Водородная ступень для ракеты «Ангара-А5В» ещё не создана, и неготов стартовый стол на Восточном. Но один из самых сложных этапов в создании телескопа - технология производства зеркала - уже в процессе освоения, со вполне наглядными результатами. Все ситалловые основы уже пришли из Лыткарино, и после готовности технологии можно налаживать производство всех 96 сегментов.



Поэтому нам придется запастись терпением, а создателям «Миллиметрона» - усердием в производстве, чтобы после запуска телескопа радовать нас красивыми фоточками и открытиями в неизведанных частях Вселенной.

Zelenyikot

Подготовлено специально для блога компании RuVDS