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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のサンシールドは、打ち上げ後に展開される受動的な熱制御システムで、望遠鏡と機器を太陽、地球、月の光と熱から保護します。望遠鏡と機器を永久に影の中に保っておくことで、設計温度である40ケルビン（-233℃、-388℉）まで冷却することができます。その複雑な展開は、打ち上げから10日後の2022年1月4日に、地球から80万キロメートル（50万マイル）以上離れた時点で正常に完了しました。[1] [2]
JWST のサンシールドは約 21 m × 14 m (69 フィート × 46 フィート) で、テニス コートほどの大きさで、既存のロケットに収まらないほど大きい。そのため、ロケットのフェアリング内に収まるように折り畳まれ、打ち上げ後に展開され、金属コーティングされたプラスチックの 5 層が展開された。最初の層が最も大きく、その後の各層はサイズが小さくなる。各層は薄い (最初の層は 50 ミクロン、他の層は 25 ミクロン)カプトン膜でできており、反射のためにアルミニウムでコーティングされている。太陽に面する最外層にはドープされたシリコンコーティングが施されており、紫色になり、シールドが強化され、熱を反射するのに役立つ。[3]アルミニウム コーティングの厚さは約 100 ナノメートルで、シリコン コーティングはさらに薄く、約 50 ナノメートルである。[4]サンシールド セグメントには、層とその展開機構が含まれ、トリム フラップも含まれる。[5] [6]
概要
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近赤外線および中赤外線スペクトルの観測を行うために、JWST は非常に低温（40 K（-233 °C、-388 °F）以下）に保たれる必要がある。そうでないと、望遠鏡自体からの赤外線放射が機器を圧倒してしまう。そのため、太陽、地球、月からの光と熱を遮るために大きなサンシールドが使用され、太陽-地球L 2ラグランジュ点の近くに配置されているため、3 つの天体は常に宇宙船の同じ側にある。[7] L 2を周回するハロー軌道は、地球と月の影を避け、サンシールドと太陽電池アレイの環境を一定に保つ。[8]
赤外線は熱放射です。遠くの星や銀河からの赤外線熱のかすかな輝きを見るためには、望遠鏡を非常に冷たくする必要があります。太陽光や地球の暖かい輝きが望遠鏡を温めると、望遠鏡から放射される赤外線が対象物よりも明るくなり、何も見えなくなります。
— NASAゴダード宇宙飛行センターのウェッブ望遠鏡の上級副プロジェクト科学者、2008年[9]
サンシールドは大きなパラソルとして機能し、主鏡、光学系、および機器を受動的に40ケルビン（-233℃、-388℉）以下に冷却します[6]。これは、JWSTの運用を可能にする技術の1つです。[10]凧形のサンシールドは約21×14メートル（69×46フィート）の大きさで、[11]主鏡と副鏡を遮るのに十分な大きさで、追加の冷却が必要な機器はMIRI（中赤外線観測装置） 1つだけです。 [6]サンシールドはV溝ラジエーターとして機能し、前面から背面にかけて318 K（318℃、604℉）の温度低下を引き起こします[12] 。 [11]動作中、シールドは約200キロワットの太陽放射を受け取りますが、反対側に通過するのは23ミリワットだけです。[13] [11]
サンシールドは、熱伝導を軽減するために5層になっています。[6]これらの層は、-269〜400 °C（-450〜750 °F）で安定しているポリイミドフィルムのカプトンEで作られています。 [3] [6]しかし、薄いフィルムは繊細です。2018年のテスト中に偶然に破れたことがJWSTプロジェクトを遅らせた要因の1つであり、[14]カプトンは地球の条件に長期間さらされると劣化することが知られています。[15]太陽に面した層の厚さは0.05 mm（0.002インチ）で、他の層の厚さは0.025 mm（0.001インチ）です。[3] すべての層の両面は100 nmのアルミニウムでコーティングされており、最も外側の2層の太陽に面した側には、他の元素が「ドープされた」50 nmのシリコンもコーティングされています。[6] [3]これにより、材料は宇宙空間でも生き残り、余分な熱を放射し、電気を伝導し、層に静電気が発生しなくなります。 [6]
各層はわずかに異なる形とサイズを持っています。[6]層5は主鏡に最も近く、最も小さいです。層1は太陽に最も近く、より大きくて平らです。[6]最初の層は熱の90％を遮断し、各後続の層はより多くの熱を遮断し、側面から反射します。[6] [16]サンシールドにより、光学系はピッチ角+5°から-45°、ロール角+5°から-5°の影の中に留まることができます。[10] 層はサーマルスポットボンド（TSB）を使用して設計されており、グリッドパターンが間隔をあけて各層に接着されています。[6]これにより、裂け目や穴が発生した場合でも、サイズが大きくなるのを防ぐことができます。[6]
設計と製造
ノースロップ・グラマンはNASA向けにサンシールドを設計した。[17] サンシールドは12回折り畳まれるよう設計されており、アリアン5ロケットの直径4.57m（15.0フィート）×16.19m（53.1フィート）のシュラウド内に収まる。L2ポイントで展開されると、21.197m×14.162m（69.54フィート×46.46フィート）に展開された。サンシールドはアラバマ州ハンツビルのマンテック（NeXolve）で手作業で組み立てられ、その後カリフォルニア州レドンドビーチのノースロップ・グラマンにテストのために届けられた。[18]打ち上げ時には光学望遠鏡エレメントに巻き付けられ、その後展開された。[11]サンシールドは打ち上げの約1週間後に展開される予定だった。[19] 開発中、サンシールド層の材料は熱、寒さ、放射線、高速微小衝撃でテストされました。[9]
サンシールドの構成要素には以下のものがある: [20]
- コア
- 前後4バーリンケージ
- 後部構造アセンブリ
- モメンタムトリムタブ（タブは後部構造アセンブリに取り付けられています）
- 後部スプレッダーバー（後部に層を広げる）
- 前方構造アセンブリ
- 前方スプレッダーバー
- ミッドブーム（両側に1つずつ）
- 中間スプレッダーバー（5 つの層を広げます）
- 前方2個と後方2個のバイポッド発射ロックアセンブリ
バイポッド発射ロックアセンブリは、発射時に折りたたまれたときにサンシールドセグメントがOTEに接続される場所です。[20] 約6面のサンシールドの層を分離するために拡張された6つのスプレッダーバーがあります。[20]
トリムフラップ/モメンタムトリムタブ
サンシールドセグメントには、サンシールド展開ブームの端にトリムフラップも含まれています。[5]これは、運動量トリムタブとも呼ばれます。[20]トリムタブは、サンシールドに当たる光子によって引き起こされる太陽圧力のバランスをとるのに役立ちます。この圧力が不均一な場合、宇宙船は回転する傾向があり、宇宙船バスにあるリアクションホイールを使用して、JWSTの宇宙での向きを修正して維持する必要があります。リアクションホイールは最終的に飽和し、燃料を脱飽和させる必要があり、宇宙船の寿命が制限される可能性があります。トリムタブは、圧力のバランスを保ち、燃料の使用量を制限することで、望遠鏡の動作寿命を延ばします。[5] [20] [21] [22]
レイヤー
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層は、太陽、地球、月が第1層のみを照らすように設計されており、第2層のごく一部が見えることもあります。一方、望遠鏡の要素は第5層のみを、第4層のごく一部が見えることもあります。[20] 真空の宇宙空間では層間の分離により伝導による熱伝達が防止され、熱を外に放射するのに役立ちます。[23] 材料にシリコンをドーピングすると紫色の色合いになります。[23]
展開
サンシールド部品は宇宙船本体に取り付けられ、そのブームが外側に伸びて熱シールドを広げ、層を分離します。[24]打ち上げ時にはシールドは折りたたまれており、宇宙空間に到達したら慎重に広げられます。[24] サンシールドが完全に広がると、幅14.6メートル（48フィート）、長さ21.1メートル（69フィート）になります。[20]層が完全に開くと、端がより広く開き、熱を反射するのに役立ちます。[20]
サンシールド展開構造/装置には以下のものがある: [23]
- 伸縮ブーム
- ステム展開者
- スプレッダーバー
- ケーブルドライブ
伸縮ブームの内部には2つのステム展開装置があります。[23]これらは特殊な電気モーターで、作動すると伸縮ブームが伸び、折りたたまれたサンシールドが引き出されます。[23]伸縮ブームはMBA、またはミッドブームアセンブリと呼ばれます。[20]各MBAの端にはスプレッダーバーがあります。
2021年12月25日にギアナ宇宙センターから打ち上げが成功した後、打ち上げ後のJWSTサンシールドの展開は次のように進行しました。
2021年12月31日、メリーランド州ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の地上チームは、3日前に降ろされた前後のパレットに折りたたまれた収納場所から5枚のサンシールド膜を引き出し、観測所の左右から2つの伸縮式「ミッドブーム」の展開を開始した。[25]ミッションコントロールがサンシールドカバーが完全に巻き上げられたという確認を最初に受け取らなかったため、左側のブーム（主鏡の向きに関連して）の展開が遅れた。確認のために追加データを見た後、チームはブームの展開に進んだ。[26]左側は3時間19分で展開し、右側は3時間42分かかった。[26] [25]このステップで、ウェッブのサンシールドは完全な凧の形に似て、最大幅47フィートまで伸びた。膜を分離して張力をかけるコマンドが続くことになっていた。[25]
地上チームは元旦を休んだ後、太陽シールドの張力調整を1日遅らせ、観測所の太陽電池パネルアレイの出力を最適化し、予想よりもわずかに熱くなった太陽シールド展開モーターを冷却するために観測所の向きを調整する時間を確保した。[27]太陽に最も近く、太陽シールドの5層の中で最大の第1層の張力調整は2022年1月3日に始まり、東部標準時午後3時48分に完了した 。[28]第2層と第3層の張力調整は 東部標準時午後4時9分に始まり、2時間25分かかった。[29] 2022年1月4日、管制官は最後の2層、第4層と第5層の張力を正常に調整し、東部標準時午前11時59分にJWSTの太陽シールドの展開作業を完了した 。[30]
タイムライン
- 2007年以前、サンシールド膜の技術成熟度レベル（TRL）6が達成されました。[10]
- 2016年9月11日、サンシールドの第一層が完成。[12]
- 2016年11月2日、最後の第5層が完成しました。[31]
- 2018年3月27日、NASAはサンシールドに破れがあり、打ち上げが遅れる原因になっていると発表した。[32]
- 2021年12月25日、ギアナ宇宙センターからジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げに成功。[33]
- 2021年12月31日、サンシールドを支えて展開するための伸縮ブームの初期展開。[34]
- 2022年1月3日、サンシールドの最初の3層の初期張力調整と分離。[35]
- 2022年1月4日、打ち上げから10日後、地球から80万キロメートル（50万マイル）以上離れた地点で、5層すべての張力調整と分離が完了し、JWSTのサンシールドの展開に成功しました。[1] [35] [34]
参照
- ヒートシールド
- 絶縁
- ニューワールドミッション（太陽光も遮断しますが、明るい親星によって隠された太陽系外惑星を観測するため）
- スカイラブ（1970 年代には展開式の布製/層状のサンシールドも使用されました）
- 宇宙船の熱制御
- ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のタイムライン
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、サンシールド (JWST)に関連するメディアがあります。
- ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡セクションのエンジニアリング JWST サンシールド