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Die Schwingungsisolatoren von Minus K mit negativer Steifigkeit ermöglichten dem James-Webb-Weltraumteleskop den Start zu seiner Mission in den Weltraum

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Die Entwicklung des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) hat 30 Jahre, extreme Kryogen-Vakuumtests und fast 10 Milliarden Dollar gekostet. Es wird als eines der größten wissenschaftlichen Vorhaben des 21. Jahrhunderts bezeichnet

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Januar 2022
Minus K's Negative Stiffness Vibration Isolators machten es möglich, dass das James Webb Weltraumteleskop zu seiner Mission in den Weltraum aufbrechen konnte
Die Entwicklung des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) hat 30 Jahre, extreme Kryogen-Vakuumtests und fast 10 Milliarden Dollar gekostet. Es wird als eines der größten wissenschaftlichen Projekte des 21. Jahrhunderts bezeichnet

JWST-Start in Französisch-Guayana Weihnachten Dezember 2021
Nach mehr als zwei Jahrzehnten der Entwicklung startet die NASA am Weihnachtstag 2021 das James-Web-Weltraumteleskop (JWST) von Französisch-Guayana an der Nordostküste Südamerikas. Der Startplatz befand sich in der Nähe des Äquators, um den zusätzlichen Schub zu geben, der nötig war, um JWSTs Beobachtungspunkt in Richtung der Gegensonne zu erreichen. Der Sonne-Erde-Lagrange-Punkt 2 (L2) liegt fast 1 Million Meilen (1,6 Millionen km) von der Erde entfernt direkt hinter dem Planeten. Ein Objekt, das sich an L2 befindet, wird mit der Erde um die Sonne kreisen, ohne dabei zurückzufallen.

Trennung des JWST von der zweiten Stufe der Ariane-5-Rakete
Die zweite Stufe der Ariane-5-Rakete trennte sich 27 Minuten nach dem Start von JWST. Kurz darauf, bei T+30 Minuten nach dem Start, entfaltete JWST seine Solarpaneele und meldete, dass die Sonde "Energie positiv" sei Das James-Webb-Weltraumteleskop musste zusammengeklappt ins All fliegen, da es zu massiv ist, um in seiner endgültigen Form in eine vorhandene Rakete zu passen. Obwohl die Ariane-5-Rakete, die es ins All brachte, fast 5,4 Meter breit ist, war sie nicht groß genug, um das JWST vollständig entfaltet ins All zu befördern. Daher wurde es in Origami-Manier zusammengedrückt, damit es in die Rakete passt.

JWST wird im Nutzlastraum der Ariane-5-Rakete eingekapselt

Während der 29-tägigen Reise nach L2 musste JWST seine 18 vergoldeten Berylliumspiegelsegmente mit Hilfe von 132 Aktuatoren ausklappen. Es entfaltete seinen fünfschichtigen Origami-Sonnenschutz und kühlte auf unter 50 K (Kelvin) ab (-223°C oder -370°F). Die der Sonne zugewandte Seite hat eine Temperatur von etwa 110°C (230F), die kalte Seite von etwa 36K (-236,6C) (-394F). Der fünfschichtige Sonnenschutzschild verhindert, dass das Sonnenlicht die empfindlichen Teleskopinstrumente beeinträchtigt. Das Teleskop arbeitet unter 50K (~-370F)

Dieser Zeitraum wurde als "30 Tage des Schreckens" bezeichnet, in denen es 344 potenzielle Einzelpunktausfälle in der Raumsonde gibt, von denen 80 % mit den Entfaltungsmechanismen zusammenhängen. Der Sonnenschutzschild umfasst beispielsweise 140 Auslösemechanismen, 70 Scharnierbaugruppen, acht Auslösemotoren, etwa 400 Rollen und 90 Kabel mit einer Gesamtlänge von 400 Metern.

Es war schwierig, eine vollständige Redundanz in einem Auslösemechanismus unterzubringen. Über mehrere Jahre hinweg gab es zahlreiche Auslösetests sowohl mit kleinen als auch mit großen Modellen. Für den Fall, dass während des Entfaltungsprozesses etwas nicht klappte, gab es verschiedene Notfallpläne, um zu versuchen, jedes Problem zu beheben.

In der ersten Woche der Reise nach L2 wurden die Sonnenschirme ausgefahren, um das Teleskop abzukühlen. In der zweiten Woche wurden der hintere Kühler ausgefahren, die Tragstruktur des Sekundärspiegels und die beiden Flügel des Primärspiegels ausgeklappt.

Der nächste Schritt war die Ausrichtung der 18 Einzelspiegel, aus denen der Hauptspiegel der Sternwarte besteht. Es ist ein mehrtägiger, mehrstufiger Vorgang, jedes der 18 Primärspiegelsegmente (die verstellbar sind) zu aktivieren und zu bewegen, sobald sie ihre Startkonfiguration verlassen haben.

Die Hauptspiegelsegmente werden von sechs Aktuatoren bewegt, die an der Rückseite jedes Spiegelteils angebracht sind. Ein siebter Aktuator befindet sich in der Mitte des Segments und dient zur Einstellung der Krümmung des Spiegelsegments.

Der Hauptspiegel ist die wichtigste Lichtsammelfläche des JWST. Er reflektiert das Licht auf den Tertiärspiegel, der sich auf Auslegern vor dem Teleskop befindet und das Licht auf die JWST-Instrumente reflektiert. Jedes der 18 Segmente des Hauptspiegels ist mit einer glänzenden, aber hauchdünnen Goldschicht überzogen. Würde man sie in der Startposition belassen, würden sie wie einzelne Teleskope funktionieren und die Bilder wären unscharf und undeutlich. Sobald die Spiegelsegmente ausgerichtet sind, werden sie als ein einziger riesiger Spiegel mit einem Durchmesser von 6,5 Metern (21,3 Fuß) wirken - der größte, der je im Weltraum war.

Das Hubble-Weltraumteleskop hat bereits Galaxien beobachtet, die etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind. Das JWST wird in der Lage sein, noch viel weiter in die Vergangenheit zu blicken, nämlich bis zu 100 Millionen Jahre nach dem Urknall, einer Zeit, als die meiste Materie nur aus den Urelementen bestand und gerade erst begann, sich zu Sternen und Galaxien zusammenzufügen.


NASA GSFC CIL JWST im Weltraum-RenderingJWST wird einige der am weitesten entfernten Objekte des Universums beobachten. Daher wird das Licht der Objekte auf seiner mehr als 13 Milliarden Meilen langen Reise stark in den roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums verschoben. Die Primärspiegel des JWST sind mit 24-karätigem Gold beschichtet, da Gold rotes Licht besser reflektiert als fast jedes andere Metall. Dank des Goldes haben die JWST-Spiegel einen Reflexionsgrad von 98 %, verglichen mit den üblichen 85 % bei Standardspiegeln. Die Goldschichten, mit denen die Spiegel des Teleskops beschichtet sind, sind nur 1.000 Atome dick. Für die Beschichtung des gesamten 21 Fuß breiten Spiegels wurde nur eine golfballgroße Menge Gold verwendet.

Die primäre Betriebstemperatur des Teleskops liegt nur 50 Grad über dem absoluten Nullpunkt (-459º F). Je kälter die Temperatur ist, desto weniger Atome bewegen sich. Beim absoluten Nullpunkt von 0 Grad Kelvin, der kältesten möglichen Temperatur (-459º F), hören die Atome praktisch ganz auf, sich zu bewegen. Daher werden die Hightech-Instrumente an Bord des JWST bei nahezu absolutem Nullpunkt arbeiten, um die Daten genau entschlüsseln zu können.

Das Teleskop wird erst funktionieren, wenn es ganz auf seine niedrige und stabile Temperatur abgekühlt ist. In den folgenden fünf Monaten wird das Teleskop dann getestet und für seine Mitte 2022 beginnende wissenschaftliche Mission kalibriert



Die Beteiligung von Minus K an den beispiellosen Tests von JWST vor dem Start ins All
Alle kryogenen Vakuumtests auf Systemebene des JWST wurden in der Kammer A des Johnson Space Center (JSC) der NASA durchgeführt. Die Kammer A ist heute die größte kryogen-optische Hochvakuum-Testkammer der Welt und wurde durch die Tests der Raumkapseln für die Apollo-Mission der NASA mit und ohne Besatzung bekannt. Sie hat einen Durchmesser von 16,8 Metern (55 Fuß) und ist 27,4 Meter (90 Fuß) hoch. Die Tür wiegt 40 Tonnen und wird hydraulisch geöffnet und geschlossen. Die Luft in der Kammer wiegt 25 Tonnen; wenn die gesamte Luft entfernt ist, entspricht die im Inneren verbleibende Masse der Hälfte einer Heftklammer.
Drei Jahre lang haben die Ingenieure des JSC der NASA das Innere der Kammer gebaut und umgebaut, um die für den Test des James-Webb-Weltraumteleskops erforderliche Temperatur zu erreichen. Die Kammer A wurde mit einer Heliumabdeckung nachgerüstet, die sich innerhalb der bestehenden Flüssigstickstoffabdeckung befindet und in der Lage ist, die Temperatur der Kammer noch weiter als bisher zu senken, nämlich um 11 Grad über den absoluten Nullpunkt (11 Kelvin, -439,9 Fahrenheit oder -262,1 Celsius).

Eine wichtige Neuerung in der Kammer A war die Hinzufügung eines Satzes von sechs speziell angefertigten Schwingungsisolatoren mit negativer Steifigkeit von Minus K Technology. Die passiven Minus K-Isolatoren benötigen weder Luft noch Strom und bieten eine bessere Isolierung als Luft- und aktive Isolationssysteme. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl der Schwingungsisolatoren war, dass sie die Schwingungen nicht nur vertikal, sondern auch horizontal bei weniger als 1 Hz isolieren.

Das JWST wurde für den Einsatz im Weltraum konzipiert, wo die Störungen sehr kontrolliert sind und nur vom Raumfahrzeug ausgehen, während auf der Erde alle bodengebundenen Störungen, wie Pumpen und Motoren, und sogar der vorbeifahrende Verkehr die Tests beeinflussen können. Die Minus-K-Schwingungsisolatoren sorgten für eine dynamische Isolierung von externen Schwingungsquellen, um eine nahezu flugähnliche Störungsumgebung zu schaffen.

Die Isolatoren verwenden das patentierte TRE-Kompensationsgerät (Thermal Responsive Element) von Minus K, ein passives mechanisches Gerät, das genau wie die Isolatoren weder Luft noch Strom benötigt. Der TRE-Kompensator passt die Isolatoren an die Temperaturschwankungen während der Tests im JSC an und hält das JWST in der richtigen Position.

Die kritische Entwurfsprüfung für das Schwingungsisolationssystem zwischen Raumfahrzeug und optischem Teleskop wurde einen Monat früher als geplant Ende 2011 abgeschlossen. Die sechs Minus-K-Schwingungsisolatoren mit negativer Steifigkeit wurden im März 2014 auf der Oberseite der Thermalvakuumkammer A des Johnson Space Centers installiert (siehe Abbildung unten).

Das JWST benötigte eine Stützstruktur innerhalb der Vakuumkammer, um die Ausrüstung für die Tests zu halten. Die Ingenieure installierten eine massive Stahlplattform, die an den sechs Schwingungsisolatoren über Stahlstangen mit einer Länge von jeweils 18,2 Metern und einem Durchmesser von 38,1 mm (1,5 Zoll) aufgehängt war, um das Teleskop und wichtige Testgeräte zu halten. Zu den hochentwickelten optischen Teleskop-Testgeräten gehörten ein Interferometer, automatisch kollimierende Flachspiegel und ein System von Photogrammetrie-"Präzisionsvermessungs"-Kameras, die in der Kammer präzise zueinander ausgerichtet wurden, während sie von allen Vibrationsquellen, wie dem Stickstoff- und Heliumfluss in den Rohrleitungen der Hülle und dem rhythmischen Pulsieren der Vakuumpumpen, isoliert waren.

Damit die Ingenieure das JWST während der Tests im Auge behalten konnten, wurden zusätzliche Testgeräte wie Massenspektrometer, Infrarotkameras und Fernsehkameras an die Trägerstruktur angeschlossen, die durch die Minus-K-Isolatoren mit negativer Steifigkeit gegen Vibrationen isoliert wurde.

Die JWST Pathfinder-Tests wurden in drei Haupttestkampagnen geplant, bevor die vollständig montierten optischen Teleskopelemente (OTE) und das integrierte wissenschaftliche Instrumentenmodul (ISIM) im kryogenen Vakuum getestet werden. Die drei Pathfinder-Tests sind OGSE1, OGSE2 und der 'Thermal-Pathfinder' (TPF).

Pfadfindertests OGSE1, OGSE2, 'Thermal-Pathfinder' (TPF) und die vollständig montierten optischen Teleskopelemente (OTE) und das integrierte wissenschaftliche Instrumentenmodul (ISIM), genannt OTIS
Diese Tests wurden in ihrer Komplexität gesteigert, um die Testanlage einschließlich der kryogenen Testkammer und des Ground Support Equipment (GSE) vollständig zu charakterisieren. Die "flugähnlichen" Testobjekte im Rahmen der Pathfinder-Tests wurden entwickelt, um das thermische Verhalten in der kryogenen Umgebung zu verstehen.

Der 30-tägige OGSE1-Test wurde im Mai 2015 abgeschlossen, nachdem die JSC-Kammer-A im Jahr 2014 erfolgreich für den JWST-Einsatz in Betrieb genommen worden war. Der 35-tägige OGSE2-Kryo-Vakuumtest wurde im Oktober 2015 abgeschlossen, wobei alle primären, sekundären und tertiären Testziele erreicht wurden. Der erfolgreiche Abschluss des OGSE2 war ein wichtiger Meilenstein für JWST. Dieser Test war der erste große kryogene Test mit den optischen Elementen des Flugteleskops und einer speziellen fasergespeisten optischen Ausrüstung. Es war der erste Test mit dem AOS (Aft-Optics-Subsystem) Source Plate Assembly (ASPA), das die Optik des Teleskops durch die Fokalebenen beleuchtet. Der Tertiärspiegel (TM) und der Feinlenkspiegel (FSM), die in einem Bündel, dem Aft-Optics-Subsystem, zusammengefasst sind, wurden in einer integrierten Konfiguration in der kryogenen Betriebsumgebung optisch getestet.

Im Juni 2015, nach den OGSE1- und OGSE2-Tests und vor dem "Thermal-Pathfinder"-Test (TPF), nahm L3Harris (ehemals ITT Exelis), das die sechs Schwingungsisolatoren mit negativer Steifigkeit auf der Oberseite von Kammer A in Betrieb genommen und installiert hatte, mit Unterstützung von Minus K Anpassungen an den Kammerisolatoren vor, um sie auf ihre geplante Eigenfrequenz von 0,5 Hz einzustellen. Dadurch konnten die Isolatoren die Schwingungen an den beiden Hauptspiegelsegmenten des TPF-Tests besser reduzieren.

Der 35-tägige Thermal Pathfinder (TPF) Kryotest wurde im Oktober 2016 abgeschlossen. TPF umfasste zwei flugtaugliche Ersatzspiegel aus Beryllium (einer davon goldbeschichtet) und zehn nicht flugtaugliche goldbeschichtete Aluminium-Testsegmente, die als thermische Simulatoren fungierten. Während der optischen Tests mussten die Spiegel auf einen Abstand ausgerichtet werden, der kleiner war als die Wellenlänge des Lichts, tausendmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares und bei einer Temperatur von Hunderten von Grad unter Null. Thermal Pathfinder durchlief alle thermischen und Vakuumtests, die auch das eigentliche JWST im Jahr 2017 durchlaufen sollte.

Der 93-tägige Endtest der vollständig montierten optischen Teleskopelemente und des integrierten wissenschaftlichen Instrumentenmoduls (OTIS) des JWST begann im Juli 2017. Es dauerte etwa 10 Tage, um die Luft aus der Kammer abzusaugen, und dann etwa einen Monat, um die Temperaturen von JWST und seinen wissenschaftlichen Instrumenten auf die für die Tests erforderlichen Werte zu senken.

JWST OTIS Test Ground Support Equipment (GSA) Architektur und Subsysteme

Diese Tests umfassten eine wichtige Ausrichtungsprüfung der 18 Hauptspiegelsegmente von JWST, um sicherzustellen, dass alle vergoldeten, sechseckigen Segmente wie ein einziger, monolithischer Spiegel funktionieren. Dazu mussten alle 132 Hexapod-Aktuatoren auf 6 Freiheitsgrade (DOF) und Krümmungsradius für jedes Spiegelsegment getestet werden. Dies war das erste Mal, dass die Optik des Teleskops und seine Instrumente gemeinsam getestet wurden.

Es war ein langer und komplizierter Testprozess, um JWST zu testen. Die Bedingungen, denen es im kalten Vakuum des Weltraums ausgesetzt sein wird, wurden am Boden simuliert, um sicherzustellen, dass die Optik und die Instrumente nach dem Start perfekt funktionieren. Diese Tests waren sehr notwendig, da JWST fast eine Million Meilen von der Erde entfernt in der Umlaufbahn L2 sein wird. Das ist zu weit weg, als dass Reparaturen wie beim Hubble-Teleskop durchgeführt werden könnten.