Hubble, primul telescop spaţial lansat vreodată, un instrument fabulos care a reuşit să revoluţioneze astronomia şi să modifice modul în care ne raportăm la Univers, împlineşte 30 de ani de la plasarea pe orbita Pământului. Prezentăm în continuare structura acestui proiect ştiinţific care va continua să ne ofere noi indicii din vastul puzzle cosmic şi în anii ce vor urma.

4. Sistemul de direcţionare
 

Foto: (c) www.nasa.gov

În timp ce funcţionează pe orbita Terrei, Telescopul Spaţial Hubble depinde de un robust sistem de direcţionare, care îi permite să stabilească direcţia (denumită "atitudine") spre care să se orienteze, să găsească o ţintă celestă şi să rămână fixat pe acea ţintă în timpul realizării unor observaţii ştiinţifice.

Sistemul de direcţionare foloseşte două seturi de dispozitive: senzori şi actuatori. Senzorii colectează informaţii despre atitudinea lui Hubble faţă de Soare, stele şi câmpul magnetic al Pământului. Actuatorii rotesc telescopul spaţial, pentru ca acesta să fie îndreptat într-o anumită direcţie.

Senzori 

Foto: (c) www.nasa.gov

Cinci tipuri de senzori alcătuiesc Sistemul de direcţionare: Senzori solari, Sistem de detectare magnetică, Giroscoape, Dispozitive de urmărire a stelelor fixe şi Senzori de ghidare fină. Fiecare tip de senzor deserveşte un obiectiv unic, care variază de la determinarea atitudinii brute şi până la protejarea telescopului. Toţi senzorii funcţionează în tandem pentru a ajusta, la comandă, atitudinea lui Hubble.

Senzorii solari determină orientarea lui Hubble în raport cu Soarele. Aceşti senzori folosesc detectori cu diode din silicon pentru a determina dacă Soarele este prezent în raza lor vizuală şi, dacă este cazul, unghiul relativ al Soarelui în raport cu senzorul. Această informaţie este folosită pentru a ajuta la direcţionarea telescopului şi la protejarea instrumentelor sensibile aflate la bordul observatorului spaţial. Întrucât Hubble a fost conceput pentru a detecta orice lumină oricât de slabă ar fi ea, telescopul trebuie să rămână îndreptat tot timpul la un unghi de cel puţin 50 de grade faţă de Soare. Dacă razele solare pătrund în telescop, acea lumină solară ar putea să avarieze detectoarele şi să degradeze stratul de vopsea neagră care căptuşeşte tubul optic ce previne reflectarea luminilor pâlpâitoare din Univers. În plus, căldura solară ar putea cauza dilatarea structurii care sprijină oglinzile, interferând astfel cu capacitatea de focalizare a telescopului.

Sistemul de detectare magnetică acţionează ca un fel de compas maritim al lui Hubble, măsurând orientarea telescopului în relaţie cu câmpul magnetic al Pământului. Sistemul constă în magnetometre şi echipamente electronice dedicate, care, la fel ca în cazul unui compas, analizează orientarea telescopului.

Atunci când Hubble se roteşte, giroscoapele sale măsoară direcţia în care telescopul se întoarce şi viteza acelei rotaţii. Hubble deţine unele dintre cele mai performante şi mai stabile giroscoape construite vreodată. Cablurile din giroscoape, subţiri cât un fir de păr şi care sunt conductoare de electricitate, se pot degrada însă de-a lungul timpului, cauzând măsurători incorecte, denumite distorsiuni, şi, în cele din urmă, defectarea aparatului în sine. Corecţii de software au fost dezvoltate pentru a ţine cont de acele distorsiuni, iar mai multe îmbunătăţiri implementate în etapa de fabricare a giroscoapelor au condus la o creştere a duratei lor de funcţionare. Astronauţii americani au înlocuit toate cele şase giroscoape de la bordul lui Hubble în timpul ultimei misiuni de mentenanţă, desfăşurată în 2009, pentru a extinde cât mai mult posibil durata de funcţionare a telescopului, care a fost deja foarte productiv.

De regulă, trei giroscoape sunt folosite în acelaşi timp pentru a măsura viteza de rotaţie a lui Hubble în toate cele trei dimensiuni, pentru a maximiza eficienţa Sistemului de direcţionare şi cantitatea de date care pot fi obţinute. În plus, Sistemul de direcţionare a fost ameliorat pentru a putea să lucreze doar cu două giroscoape, sau chiar cu unul singur, în tandem cu alţi senzori. Aceste moduri de funcţionare nu sunt însă la fel de eficiente ca acela care implică folosirea a trei giroscoape, însă îi permit totuşi lui Hubble să continue să obţină informaţii ştiinţifice revoluţionare.

Dispozitivele de urmărire a stelelor fixe determină atitudinea lui Hubble prin localizarea şi măsurarea strălucirii stelelor aflate în câmpul lor de observaţie. Stelele formează tipare aleatorii şi unice pe bolta cerească, pe care computerul de la bordul telescopului le poate corela cu o hartă stelară, folosind informaţiile despre poziţia şi strălucirea astrelor furnizate de Dispozitivele de urmărire a stelelor fixe. Ele sporesc acurateţea atitudinii lui Hubble cu până la 60 de arce de secundă şi permit computerului central să corecteze erorile de atitudine în urma manevrelor telescopului, pentru ca Sistemul de ghidare fină să poată să se fixeze asupra stelelor-ghid.

Sistemul de ghidare fină este cel mai sensibil senzor de direcţionare de la bordul lui Hubble şi este compus din trei senzori de ghidare fină (FGS). Senzorii FGS folosesc lumina solară captată de oglinzile telescopului pentru a găsi stelele-ghid, a se focaliza asupra lor şi a se asigura că atitudinea telescopului nu se modifică. Un senzor FGS poate fi utilizat şi ca instrument ştiinţific pentru a determina poziţia unei stele cu un grad înalt de acurateţe. Nivelul înalt de stabilitate şi de precizie asigurat de senzorii FGS îi permite lui Hubble să deţină capacitatea de a rămâne fixat pe o ţintă celestă cu o deviaţie de cel mult 0,007 arcsecunde pe parcursul unei perioade îndelungate de timp.

Actuatori
 

Foto: (c) www.nasa.gov

Două sisteme de actuatori îl rotesc pe Hubble pe orbită: Ansambluri ale roţilor de reacţie şi Cupluri magnetice. Niciunul dintre aceste sisteme nu foloseşte agenţi de propulsie, întrucât produsele lor reziduale ar putea contamina câmpul vizual al telescopului.

A treia lege a mecanicii enunţată de Isaac Newton stipulează că pentru fiecare acţiune există o forţă de reacţie egală şi de sens opus. Hubble foloseşte acest principiu pentru cele patru roţi de reacţie ale sale, care sunt nişte roţi mari, masive, ce se rotesc în virtutea comenzilor primite de la computerul lui Hubble. Dacă una din roţile de reacţie se învârte în sensul acelor de ceasornic, Hubble se va roti în sens contrar acelor de ceasornic. Schimbarea vitezei de rotire a oricăreia dintre roţile de reacţie produce o forţă rotaţională denumită "cuplu". Modificările combinate ale vitezelor de rotaţie ale roţilor îi permit lui Hubble să execute manevre pe orbită pentru a se fixa asupra oricărei ţinte celeste. Cele patru roţi de reacţie au fiecare un diametru de aproximativ 60 de centimetri, dar în condiţii de microgravitaţie ele pot să îl mişte pe Hubble - care are dimensiunile unui autobuz şcolar - datorită vitezei lor înalte de rotaţie şi masei lor. Totuşi, la viteza sa maximală, Hubble se mişcă doar la fel de repede ca limba minutarului unui ceas (aproximativ 90 de grade în 15 minute).

Cuplurile magnetice sunt tije din fier lungi de 240 de centimetri învelite în sârmă, care produc un câmp magnetic la comanda computerului lui Hubble. Câmpul magnetic produs de cuplurile magnetice îl împinge sau îl îndepărtează pe Hubble de câmpul magnetic al Terrei, rotind telescopul. Patru cupluri magnetice sunt instalate pe Hubble, amplasate la intervale de 90 de grade pe exteriorul observatorului spaţial. Cuplurile magnetice sunt folosite pentru a reduce viteza roţilor de reacţie, care poate să crească din cauza atmosferei Pământului (care, pe orbita lui Hubble, este foarte rarefiată, dar totuşi prezentă).

Folosindu-şi Sistemul de direcţionare, Telescopul Spaţial Hubble poate să caute şi să se focalizeze asupra unor obiecte celeste specifice de pe boltă, cu o acurateţe fără precedent, fapt ce îi permite să observe obiecte cereşti aflate la distanţe de peste 13 miliarde de ani-lumină.

5. Alimentare electrică 

Foto: (c) www.nasa.gov 

Telescopul Spaţial Hubble are nevoie de electricitate pentru a-şi alimenta instrumentele ştiinţifice, computerele, sursele de căldură, transmiţătoarele şi alte echipamente electronice. Pentru a asigura aceste nevoi, sistemul de alimentare cu electricitate de la bordul lui Hubble produce, depozitează şi distribuie energie electrică pentru întregul vehicul spaţial. Componentele majore ale sistemului de alimentare electrică sunt: panourile solare, bateriile, unitatea de control a alimentării cu energie, unităţile de distribuţie electrică şi dispozitivele lor electronice cu rol de suport.

Cele două seturi de panouri solare ale lui Hubble colectează energie de la Soare şi o convertesc în electricitate. De-a lungul timpului, Hubble a avut trei seturi de panouri solare de la lansarea sa în 1990. Agenţia Spaţială Europeană (ESA) a construit primele două seturi de panouri solare. Cel de-al treilea constă într-un total de opt panouri, achiziţionate de pe linia de producţie a companiei care fabrică sateliţii comerciali de comunicaţii Iridium. Astronauţii americani au înlocuit vechile panouri solare ale lui Hubble în timpul celei de-a treia dintre cele cinci misiuni de mentenanţă realizate de NASA.

Panourile solare
 

Foto: (c) www.nasa.gov 

Actualele panouri solare au fost instalate în 2002 în timpul Misiunii de Mentenanţă 3B. Fiecare dintre ele are dimensiunile de 7,1 x 2,6 metri. Acest set de panouri foloseşte celule solare din arseniură de galiu (GaAs), care sunt mai eficiente decât celulele solare din silicon utilizate în cazul precedentelor panouri. Panourile de a treia generaţie dispun de asemenea de cadre fabricate dintr-un aliaj rigid de litiu-aluminiu. Panourile solare din prima şi a doua generaţie erau flexibile, fapt ce a avut ca rezultat o serie de vibraţii cauzate de fenomenele de dilatare şi de contracţie apărute pe măsură ce telescopul trecea prin zone luminate de razele Soarelui şi prin zone de umbră, afectând astfel capacitatea lui Hubble de a capta imagini clare.

În ciuda faptului că sunt cu o treime mai mici decât predecesoarele sale, cele mai noi panouri solare ale lui Hubble produc cu 20% mai multă energie. De asemenea, aceste panouri mai mici reduc forţa de fricţiune atmosferică întâmpinată de telescop.

Unitatea de control a alimentării cu energie
 

Foto: (c) www.nasa.gov 

Energia creată de panourile solare este administrată de Power Control Unit (PCU). Versiunea originală a PCU a fost înlocuită cu un model nou atunci când panourile solare din a treia generaţie au fost instalate în 2002. Acea operaţiune a necesitat ca funcţionarea întregului telescop să fie oprită temporar.

PCU distribuie energia la nivelul întregului telescop prin intermediul a patru Unităţi de distribuţie electrică (PDU). Aceste PDU oferă mijloacele necesare pentru a porni şi a închide anumite echipamente şi conţine, de asemenea, siguranţe care protejează sistemele lui Hubble de consumul excesiv de energie dacă un scurtcircuit se produce la bordul telescopului.

Bateriile

Foto: (c) www.nasa.gov 

Când energia produsă de panourile solare nu este imediat consumată de vehiculul spaţial, ea este depozitată în baterii, pentru a fi utilizată atunci când Hubble se află în conul de umbră al Pământului. O orbită a lui Hubble în jurul Terrei durează aproximativ 95 de minute, iar telescopul se află în umbra Pământului timp de circa 36 de minute la fiecare orbită.

Cele şase baterii ale lui Hubble conţin fiecare 22 de celule nichel-hidrogen (NiH2). Concepute pentru a fi înlocuite de astronauţi, bateriile au fost instalate în două module (conţinând fiecare trei baterii). Bateriile din primul set de pe Hubble au funcţionat timp de 19 ani. Telescopul funcţionează în prezent cu al doilea set de baterii, instalate la bordul său în 2009 în timpul Misiunii de mentenanţă 4.

Împreună, cele şase baterii depozitează o cantitate de energie echivalentă cu cea emisă de 20 de baterii de automobil. Bateriile furnizează fiecare 32 de volţi (echivalentul a 29 de baterii AA) şi sunt legate în paralel. Cu o capacitate nominală de 88 de amperi-oră pentru fiecare baterie, sistemul complet încărcat poate să depoziteze 528 de amperi-oră şi conţine suficientă energie pentru a susţine funcţionarea normală a instrumentelor ştiinţifice de la bordul lui Hubble timp de 7,5 ore (cinci orbite în jurul Terrei).

Dacă bateriile sunt supraîncărcate, ele se încălzesc excesiv, fapt care le degradează performanţele şi le reduce longevitatea. Battery Improvement Kit (BIK), instalat în timpul Misiunii de mentenanţă 2 din 1997, previne supraîncărcarea bateriilor atunci când Hubble intră în modul de siguranţă, iar sarcina de alimentare scade semnificativ.

În medie, Hubble foloseşte o putere de 2.100 de waţi, echivalentul a cinci frigidere. Totuşi, cantitatea de energie necesară telescopului variază de la o orbită la alta, aşadar nivelurile de încărcare a bateriei trebuie să se poată modifica şi ele. Voltage/Temperature Improvement Kit (VIK), instalat în 1999 în timpul Misiunii de mentenaţă 3, oferă inginerilor de la NASA mai multă flexibilitate în ceea ce priveşte selectarea sarcinilor de încărcare care să fie cele mai potrivite pentru aceste baterii.

Pentru a îmbunătăţi şi mai mult încărcarea bateriilor, software-ul de bord contribuie la controlarea încărcării şi interacţionează cu hardware-ul din PCU pentru a crea "o încărcare inteligentă", similară celor care există deja în cazul dispozitivelor electronice moderne de consum. Software-ul poate suporta reglaje fine pentru a asigura o încărcare optimală şi poate să monitorizeze şi să reacţioneze la modificări survenite în voltajul şi temperatura bateriilor, pentru a preveni supraîncărcarea acestora.

Inginerii de la Centrul spaţial Goddard administrat de NASA monitorizează constant cantitatea de curent electric care intră şi iese din baterii, alături de temperatura şi presiunile înregistrate în timpul ciclurilor de încărcare. Mici ajustări sunt necesare pentru a se asigura că bateriile sunt încărcate cu suficient de multă energie pentru a menţine telescopul complet funcţional, dar nu atât de multă pentru a nu le reduce durata de viaţă.

6. Comunicaţii
 

Foto: (c) www.nasa.gov 

Telescopul Spaţial Hubble are un sistem de comunicaţii sofisticat, care îi permite să primească comenzi de la controlorii aflaţi la sol şi să transmită cantităţi mari de date ştiinţifice pe Terra.

Înainte ca o comandă să poată fi trimisă lui Hubble pentru a-i indica ţinta astronomică de observat, acele ţinte trebuie să fie mai întâi identificate şi programate de Space Telescope Science Institute (STScI) din Baltimore, Maryland. Programul comenzilor este apoi trimis la Space Telescope Operations Control Center (STOCC) din cadrul Centrului de zboruri spaţiale Goddard din Greenbelt, Maryland, care administrează şi coordonează telescopul Hubble.

Pentru a comunica cu Hubble, STOCC foloseşte Space Network, o reţea dezvoltată de NASA. Această reţea constă într-o constelaţie de sateliţi plasaţi pe o orbită geosincronă, denumiţi Tracking dand Data Relay Satellites (TDRS), dar şi facilităţi de la sol care sunt compatibile şi comunică cu acei sateliţi. Comenzile pentru telescopul spaţial sunt transmise de la STOCC şi dirijate prin antenele radio de la White Sands Complex (o facilitate din cadrul Space Network, în apropiere de White Sands, New Mexico) către TDRS şi, apoi, către Hubble.

Date în mişcare
 

Foto: (c) www.nasa.gov 

TDRS funcţionează ca un releu ce transmite comenzi şi date spre şi dinspre Hubble. Toate aceste transmisiuni sunt realizate în Banda S, un interval specific de frecvenţe radio. Sateliţii trimit şi primesc semnale prin două tipuri de antene, denumite antene cu acces multiplu şi antene cu acces singular.

Termenii "acces multiplu" şi "acces singular" se referă la numărul de utilizatori care accesează acea antenă în orice moment. Cele două tipuri de antene oferă viteze diferite ale semnalului transmisiunii (viteza de date). Viteza de date pentru antenele cu acces singular este mai mare decât cea a antenelor cu acces multiplu.

O viteză de date ridicată este importantă pentru a asigura transferul unei cantităţi mari de informaţie în timp util. Hubble funcţionează 24 de ore pe zi, în fiecare zi a anului, colectând în medie 18 gigabiţi de date ştiinţifice în fiecare săptămână. Această cantitate echivalează cu aproximativ 3 DVD-uri de date pe zi. De aceea, antenele cu acces singular din cadrul TDRS, care deţin viteze de date mai ridicate, sunt folosite pentru a transmite volume mari de date observaţionale de la Hubble spre Terra. Comenzile nu necesită viteze de date atât de mari şi pot fi trimise spre Hubble folosind oricare din cele două tipuri de antene.

Similar, Hubble are două tipuri de antene care trimit şi primesc semnale: antene cu amplificare ridicată (HGA) şi antene cu amplificare scăzută (LGA).

LGA sunt antene mici, staţionare, cu con spiralat, care pot să trimită şi să primească semnale în orice direcţie. Toate comenzile către Hubble sunt recepţionate prin antene de tip LGA, care pot primi semnale de la ambele tipuri de antene TDRS. Când TDRS preia un semnal de pe Terra către Hubble, telescopul primeşte acel semnal printr-o LGA, care transmite apoi semnalul respectiv către computerul de bord. Computerul îl interpretează şi execută apoi comenzile primite.

HGA sunt reflectoare parabolice în formă de farfurie, care pot să trimită mai multe informaţii simultan decât LGA. Ca urmare, HGA sunt utilizate pentru a transmite cantităţi mari de date, inclusiv imagini colectate de telescopul spaţial. HGA pot transmite atât către antenele cu acces multiplu, cât şi către antenele cu acces singular din cadrul TDRS şi sunt rezervate trasmiterii de semnale.

Uneori, Hubble întâmpină dificultăţi în a comunica cu Space Network. De obicei, ele sunt cauzate de o eroare temporară la nivelul telescopului, dificultăţi de conectare cu TDRS sau o problemă apărută la White Sands Complex. Când apar astfel de dificultăţi, Hubble poate să comunice cu Near Earth Network (reţea cunoscută în trecut sub denumirea de Ground Network). Câmpul vizual al antenelor de la sol din cadrul Near Earth Network este foarte mic în comparaţie cu cel al dispozitivelor aflate pe orbită geosincronă. Din acest motiv, Near Earth Network oferă ferestre de comunicare mai rare şi mai scurte decât Space Network, limitând cantitatea de date care pot fi transmise, iar Hubble utilizează această reţea doar atunci când are neapărată nevoie de ea.

Tipuri de date
 

Foto: (c) www.nasa.gov 

Hubble transmite patru tipuri principale de date: ştiinţifice în timp real, inginereşti în timp real, ştiinţifice înregistrate şi inginereşti înregistrate. Pentru aceste transmisiuni, Hubble foloseşte două tipuri de transmiţătoare pentru a expedia datele respective pe Terra: Transponder cu Acces Multiplu (MAT) şi Transmiţător cu Acces Singular în Banda S (SSAT).

Instrumentele SSAT transmit date ştiinţifice în timp real, date ştiinţifice înregistrate şi date inginereşti înregistrate, cu viteza de 1Mbps. Dispozitivele MAT au două canale, I şi Q, care pot transmite simultan. Canalul I poate să transmită date ştiinţifice în timp real şi fişiere de memorie, cu viteza de 4 Kbps, în timp ce canalul Q transmite date inginereşti în timp real, fie cu viteza de 4 Kbps, fie cu cea de 32 Kbps.

HGA combină semnalele de la ambele transmiţătoare într-un singur semnal, care este concentrat de aceste antene într-o rază îngustă. De aceea, HGA trebuie să poată fi aliniate perfect pe direcţia TDRS. Hubble deţine un sistem special, Antenna Pointing System (APC), conceput pentru a realiza această sarcină. Conectat la computerul de bord, APS poate să manevreze HGA pe două axe, pentru ca antenele respective să fie orientate direct spre satelitul vizat.

După ce Space Network primeşte datele de la Hubble, le transmite la White Sands Complex. De acolo, informaţiile de la Hubble sunt trimise la STOCC, care operează verificări ce vizează calitatea datelor. Toate datele ştiinţifice sunt apoi trimise la STScI, unde sunt procesate, arhivate şi distribuite oamenilor de ştiinţă şi publicului larg. AGERPRES/(AS - autor: Florin Bădescu, editor: Mariana Ionescu, editor online: Gabriela Badea)

Sursa fotografiei din deschidere: (c) www.nasa.gov

Citiţi şi:

* Hubble 30 - Structură: Observator, optică, instrumente (I) 

* Hubble 30 - Povestea Telescopului Spaţial Hubble