Летающие обсерватории. От Galileo до SOFIA.

Я уже упоминал об одной летающей обсерватории NASA, когда рассказывал об открытии системы колец у Урана. Это открытие было совершено при помощи воздушной обсерватории им. Койпера. Сегодня мы рассмотрим это чудо техники поближе, а также пройдемся и по другим летающим обсерваториям, бывшим в эксплуатации у NASA, начиная с 1965 года и до сегодняшнего дня.

Воздушная обсерватория им. Койпера (Kuiper Airborn Observatory, KAO) на базе самолета Lockheed C-141 Starlifter.

29 июля 1958 года, в США была проведена реорганизация Национального консультативного комитета по воздухоплаванию. Результатом этой реорганизации стало появление Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства - NASA. Довольно скоро перед агенством встала задача проведения астрономических наблюдений из различных точек земного шара. Ответ на поставленный вопрос был очевиден: для этих целей необходимо было использовать авиацию. Воплощение идеи в жизнь, не заставило себя долго ждать, и уже 30 мая 1965 года, первый, специально оборудованный, самолет принимал участие в наблюдении солнечного затмения. Три с половиной часа он преследовал затмение, летя за ним над Тихим океаном.

Первая воздушная обсерватория Galileo, на базе модернизированного Convair - 990.

Это была первая воздушная обсерватория Galileo, созданная на базе модернизированного дальнемагистрального пассажирского авиалайнера Convair - 990, с бортовым номером N711NA. При модернизации в левой верхней части фюзеляжа, специально для наблюдений, были прорезаны дополнительные иллюминаторы. Плюс к этому, для снижения отражений и бликов, трансзвуковые гондолы, а также капоты и пилоны двигателей были выкрашены в матовый черный цвет.

Борт N711NA, служил в NASA вплоть до своей трагической гибели 12 апреля 1973 года. При заходе на посадку в Калифорнии, он столкнулся с самолетом P-3C "Орион". В результате столкновения оба самолета погибли. 

Learjet -24

С 1968 года, NASA стало использовать в астрономических целях самолет Learjet - 24, с установленным на борту инфракрасным телескопом. С его помощь изучались некоторые планеты Солнечной системы.

Скоро возникла потребность в большой, хорошо оборудованной воздушной обсерватории. Для этой цели решено было использовать тяжелый транспортный самолет Lockheed C-141 Starlifter. Этот самолет был неудачной попыткой компании Lockheed вывести свой военный транспортник на коммерческий рынок. Самолет C-141 отлично зарекомендовал себя в армии, и в компании решили, что мог бы получить то же признание и в гражданской авиации. Они провели некоторую модернизацию самолета. Однако даже модернизированный C-141 не смог конкурировать с уже существующими на ранке транспортниками, из-за своей неприспособленности под крупногабаритный груз. Единственный построенный прототип был передан NASA, где ему нашли отличное применение.

Воздушная обсерватория им. Койпера. (Kuiper Airborn Observatory, KAO) На базе самолета Lockheed C-141 Starlifter.

На самолет был установлен 36-дюймовый телескоп и все сопутствующее оборудование. В 1974 году новая летающая обсерватория приступила к своей длительной миссии. Ее назвали в честь выдающегося астронома Джерарда Петера Койпера. (Kuiper Airborn Observatori, сокращенно - KAO). 

Воздушная обсерватория имени Койпера участвовала в проекте NASA по изучению космоса в инфракрасном диапазоне. Большим плюсом для исследований была увеличенная дальность полета C-141. После модернизации она достигала 11000 км. А также, несомненно, огромную роль играла возможность самолета производить полет на высотах до 14000 метров. Это позволяло оставлять под собой почти весь водяной пар атмосферы, поглощающий инфракрасное излучение, и мешающий наблюдениям в этом диапазоне. По свом возможностям обсерватория была близка к орбитальным, космическим телескопам. 

Два десятка лет KAO прослужила науке, и была выведена из эксплуатации в 1995 году. За годы службы Воздушной обсерватории имени Койпера, с ее помощью был произведен ряд крупных открытий. Одним из них было открытие системы колец у планеты Уран в 1977 году. (Об этом я уже писал вот здесь: "Небесный водевиль. Открытие Урана и его спутников." ) При помощи KAO было доказано существование атмосферы у Плутона, и еще многое другое удалось открыть и изучить, благодаря этой выдающейся технике.

Обсерватория им. Койпера использовалась, как для изучения Солнечной системы, так и для галактических и внегалактических наблюдений. Однажды она даже изучала термическую защиту шаттла, во время его входа в атмосферу Земли.

На смену, выведенной из эксплуатации в 1995 году, Воздушной обсерватории имени Койпера, с большим опозданием пришла, ее приемница - SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy). Что по русски звучит как: Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии.

Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy). Построена на базе самолета Boeing - 747sp

Обсерватория SOFIA - совместный проект NASA и Германского центра авиации и космонавтики DLR.  Она размещена на борту самолета Boeing - 747sp, и вместе они представляют из себя настоящее чудо современной инженерии и конструкторской мысли. Но, обо все по порядку.

Идея создания новой, и более совершенной чем KAO, летающей обсерватории, зародилась еще в 1984 году. А спустя три года, в 1987 году, была опубликована предварительная концепция по строительству летающей обсерватории. Было решено воплощать замысел в жизнь совместными усилиями. Германия обязалась нести 20% затрат по строительству и дальнейшей эксплуатации проекта, а также обеспечить телескоп. Таким образом были достигнуты предварительные договоренности.

Буквально сразу произошла задержка с осуществлением проекта. Причиной тому стало снижение финансирования NASA. В Германии тоже не торопились. У них были свои причины. Произошло падение Берлинской стены и воссоединение Германии.

По настоящему проектом занялись лишь в 1996 году. Тогда же и пришли к окончательному согласию по строительству и эксплуатации SOFIA. К 2002 году были уже собраны основные компоненты телескопа, а в 2004 году телескоп был доставлен из Германии в Соединенные Штаты и установлен на самолет. Первый наземный тест телескопа произошел 18-19 августа 2004 года.

Еще одна задержка в строительстве происходила в 2006 году, когда NASA временно приостанавливало проект по причине финансирования. 

Пробный полет обсерватории состоялся 26 апреля 2007 года. Начальные испытания самолета проводились с закрытой внешней дверью. Первый полет с полностью открытой дверью произошел 18 декабря 2009 года, а первые наблюдения с телескопа в полете, производились 26 мая 2010 года. Этот день является официальной датой ввода обсерватории SOFIA в эксплуатацию.

Телескоп летающей обсерватории, как я уже упоминал, был построен в Германии и затем доставлен в США для установки на самолет. Он представляет из себя телескоп-рефлектор системы Кассегрена, с диаметром отражателя 2.5 метра. Он работает в основном в инфракрасных диапазонах радиоволн, но также есть возможность проводить наблюдения и в видимом диапазоне. Для этого необходимо всего лишь заменить один научный инструмент на другой. На момент постройки было запланировано изготовление девяти различных научных приборов, в основном для работы в ИК-диапазоне. Некоторые инструменты узконаправлены и предназначены для решения конкретных задач, другие же, наоборот способны работать в широком спектре заданий. Благодаря сменным научным приборам, телескоп универсален. Помимо уже существующих инструментов, всегда есть возможность создать и установить новые, соответствующие поставленной задаче. Телескоп SOFIA - самый крупный из всех когда либо устанавливающихся на самолет телескопов, но при этом довольно легок для своих габаритов. Это объясняется тем, что при его постройке широко применялись полимерные и композиционные материалы, а также его зеркала были максимально облегчены.

Непростой задачей оказалась стабилизация телескопа. Наземные телескопы для предотвращения всевозможных вибраций устанавливают на мощные фундаменты, но как быть с телескопом, установленным на борту летящего самолета? Помимо вибраций, при движении самолета, на телескоп воздействуют еще и турбулентные потоки воздуха.

Вопрос стабилизации телескопа был решен использованием системы подшипников под давлением масла, системы высокоскоростных гироскопов, электроприводов и электронной системы стабилизации и отслеживания. Результатом стала высокая устойчивость телескопа. Настроившись на объект в небе, он уже не теряет его и четко держит в фокусе, независимо от движений самолета.

Помимо устойчивости, телескопу еще необходимо соблюдение температурного режима, для предотвращения запотевания и термически индуцированных деформаций. Для этого кабина телескопа охлаждается до температуры, ожидаемой на высоте, еще перед взлетом самолета. А перед посадкой в отсек телескопа подается газообразный азот, для предотвращения конденсации влаги.

В создании телескопа с Европейской стороны принимала участие не только Германия. В качестве субподрядчиков внесли свой вклад, французская Sagem-Reosc, занимавшаяся шлифовкой и полировкой первичного зеркала, и Швейцарский Центр Электроники и Микротехнологий (CSEM), изготовивший механизм вторичного зеркала на основе карбида кремния.

Сейчас за весь узел телескопа отвечает, как и было изначально оговорено, Германский центр авиации и космонавтики DLR. Ответственность за самолет лежит на NASA.

В качестве самолета для проекта SOFIA с самого начала был выбран Boeing - 747sp. Он по всем критериям подходит для поставленных задач. Boeing - 747sp представляет из себя модернизированную версию Boeing - 747-100. Версия SP (Special Performance) подразумевает уменьшение веса модели 747-100, путем удаления некоторых секций фюзеляжа и изменения других, с последующим укреплением легкими титановыми вставками. В результате такой модернизации 747-й, будучи и без того настоящим техническим шедевром, приобретает дополнительные улучшенные характеристики по высоте дальности и скорости полета.

Специально для проекта SOFIA, 23 октября 1997 года, NASA приобрело Boeing - 747-100. Это был далеко не новый самолет, его первый полет состоялся еще 25 апреля 1977 года, а 6 мая 1977 года он был поставлен авиакомпании Pan American, где и проработал в  коммерческих пассажирских перевозках до 1986 года. А 13 февраля 1986 года он был продан компании United Airlines, которая эксплуатировала его до декабря 1995 года, а затем разместила в хранилище неподалеку от Лас-Вегаса. В 1997 году самолет был приобретен исследовательской ассоциацией USRA, и почти сразу, 27 октября того же года был выкуплен NASA.

После покупки самолета на нем совершили несколько летных испытаний, а затем отправили на модернизацию. Уникальной работой во время модернизации оказалась установка двери для телескопа в задней части фюзеляжа. Если даже малейшее отверстие в обшивке самолета может привести, в некоторых случаях, к трагическим последствиям, то как поведет себя самолет с открывающейся дверью 5,5 на 4,1 метров?! 

Эту непростую задачу решили специалисты из Raytheon. Для этой цели был куплен участок фюзеляжа от от другого Boeing - 747sp, и использовался как полноразмерный макет. Эксперименты в аэродинамической трубе помогли найти такие обводы корпуса, при которых открытие двери во время полета, не оказывало никакого влияния на аэродинамику самолета. Инженеры из Raytheon справились с этим сложнейшим заданием на отлично. В 1998 году дверь была установлена. Как я уже упоминал, ее размеры составили 5,5 метров в высоту по дуге, и 4,1 метра в ширину.

В 2010 году, Стратосферная обсерватория ИК-астрономии была введена в эксплуатацию, и успешно трудится по сей день. Задачей обсерватории является изучение в ИК-диапазонах различных космических объектов. При помощи SOFIA проводится изучение состава планетных атмосфер, изучение комет и астероидов, изучение межзвездной среды, газопылевых туманностей и многое другое. Возможности воздушной обсерватории близки к возможностям космических телескопов. Помимо чисто научной работы, SOFIA задействована еще в образовательных и просветительских целях.

Планировалось, что SOFIA будет служить, как минимум до 2030 года, однако в последнее время появились мнения, что SOFIA не так результативна, как предполагалось и обходится слишком дорого. Действительно на поддержание работы летающей обсерватории тратится порядка 85 млн. долларов в год. В феврале 2020 года администрацией Д. Трампа вносилось предложение о закрытии проекта. Так что теперь судьба обсерватории под вопросом. Будем надеяться, что все разрешится благополучно для проекта.