新型太空望远镜依赖前所未见的材料制造;NASA表示没问题

美国宇航局工程师 Doug McGuffey(右)站在这张照片拍摄的集成科学仪器模块飞行结构旁边。美国宇航局

詹姆斯·韦伯太空望远镜的美国宇航局工程师正在从头开始做很多事情——他们不得不设计新的镜子和一个可折叠的太空“睡袋”,但他们最新的工作可能最为突出:为了在太空最寒冷的区域生存,他们发明了一种全新的复合材料。他们给它起了个绰号“unobtanium”(不可思得)。

韦伯望远镜的核心是汽车大小的集成科学仪器模块(ISIM),它将容纳望远镜的所有仪器,并紧密地打包在一起。望远镜的高精度光学器件需要稳定性,因此其底盘必须足够坚固,以避免在距离地球一百万英里的极端深度冷冻中发生变形。但它也必须足够坚固,能够承受发射的压力。

工程师们翻阅了科学文献,试图找到一种能够满足这些标准的材料,但一无所获。他们决定必须自己动手,于是他们利用数学模型来测量几种成分。最后,他们找到了两种复合材料,可以产生一种称为碳纤维/氰酸酯树脂的体系。

这对于制造底盘的 3 英寸管非常理想,但工程师们仍然需要弄清楚如何将它们组装起来——ISIM 约有 900 个组件。最终,他们使用了几种方法,包括镍合金配件、夹子和用他们自己发明的粘合剂连接的特殊复合材料板。

在制造完所有这些之后,他们不得不弄清楚如何进行测试,因为戈达德太空飞行中心的三层楼高的太空环境模拟器还不够冷。

在 2014 年的某个时候发射后,韦伯望远镜将在一个拉格朗日点冷却下来。拉格朗日点是太空中一个特殊的点,地球和月球的引力场在此处达到平衡,使得卫星可以稳定地停留在两者之间。望远镜的仪器将受到一个巨大的太空遮阳伞的保护,免受阳光直射,其仪器将暴露在约 39 开尔文(-389.5 华氏度)的日常温度下。模拟器只能达到约 100 开尔文,这足以测试大多数其他太空设备。

但为了确保桁架不会破裂,该团队希望将其冷却到 27 开尔文,这大致相当于冥王星表面的温度。因此,他们建造了一个类似金枪鱼罐头的罩子,并将其插入腔体。一旦从测试腔中抽空空气,他们就会将氦气泵入罩子中,将桁架冷却到 27 开尔文。

在为期 26 天的测试中,它没有破裂。正如数学模型所示,当温度达到 27 开尔文时,它缩小了 170 微米——大约相当于一根针的宽度。美国宇航局的翘曲极限是 500 微米,因此这种超级材料证明了它的价值。

ISIM 主机械工程师 Jim Pontius 表示“毫不费力”。

“技术挑战吸引了人们参与该项目,”他说。

美国国家航空航天局 (NASA)

 

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丽贝卡·博伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿人,她撰写关于天文学、人畜共患病以及介于两者之间的各种主题的文章。她是《大西洋月刊》的特约撰稿人,她的作品经常出现在《大众科学》、《新科学家》、《FiveThirtyEight》、《连线》以及许多其他面向成人和儿童的出版物上。丽贝卡在科罗拉多州长大,离太空更近一英里,现在住在圣路易斯,靠近大陆两条最强大的河流的交汇处。

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