Полет космического телескопа Джеймс Уэбб к точке Лагранжа L2 почти завершен

В понедельник, 24 января, инженеры планируют поручить космическому телескопу Джеймс Уэбб совершить окончательный корректирующий маневр, который выведет его на желаемую орбиту, находящуюся почти в 1,5 миллионе км от Земли, в так называемой второй точке Лагранжа между Солнцем и Землей или «L2».

Математически точки Лагранжа — это решения так называемой «ограниченной задачи трех тел». Любые два массивных гравитационно значимых объекта в космосе создают пять конкретных мест — точек Лагранжа, — где их гравитационные силы и центробежная сила движения небольшого третьего тела, такого как космический корабль, находятся в равновесии.

Точки Лагранжа обозначены от L1 до L5, и им предшествуют имена двух гравитационных тел, которые их порождают (сначала большое).

Хотя все точки Лагранжа являются точками гравитационного баланса, не все они полностью стабильны. L1, L2 и L3 — это «метастабильные» местоположения с седловидными гравитационными градиентами, такими как точка посередине линии хребта между двумя чуть более высокими пиками, где это низкая, стабильная точка между двумя пиками, но она все еще высокая, неустойчивая точка по сравнению с долинами по обе стороны хребта.

L4 и L5 стабильны в том смысле, что каждое место похоже на неглубокую впадину или чашу на вершине длинного высокого хребта или холма.

Так зачем отправлять телескоп в точку Солнце-Земля L2? Потому что это идеальное место для инфракрасной обсерватории.

В точке Солнце-Земле L2, Солнце и Земля (и Луна тоже) всегда находятся на одной стороне пространства, что позволяет Уэббу постоянно затенять оптику и инструменты своего телескопа. Это позволяет им охлаждаться для инфракрасной чувствительности, но при этом иметь доступ почти к половине небосклона в любой момент для наблюдений.

Чтобы увидеть любую точку неба с течением времени, нужно просто подождать несколько месяцев, чтобы пройти дальше вокруг Солнца и открыть больше неба, которое раньше было «позади» Солнца.

Более того, на уровне L2 Земля находится достаточно далеко, чтобы тепло, исходящее от нее примерно комнатной температуры, не смогло согреть Уэбба. А поскольку L2 является местом гравитационного равновесия, телескопу легко поддерживать там свою орбиту.

Заметьте, что проще, легче и эффективнее вращаться вокруг L2, чем находиться точно в L2. Кроме того, вращаясь по орбите, а не находясь точно на L2, для Уэбба никогда Земля не затмит Солнце, что необходимо для термической стабильности телескопа и для выработки электроэнергии.

На самом деле орбита Уэбба вокруг L2 больше по размеру, чем орбита Луны вокруг Земли! Точка L2 также удобна для постоянного поддержания связи с Оперативным центром миссии на Земле через сеть дальнего космоса. Другие космические обсерватории, включая WMAP, Herschel и Planck, вращаются вокруг Солнца-Земли L2 по тем же причинам.

Вообще говоря, доставить космический аппарат к L2 довольно просто, но архитектура Уэбба добавила одну изюминку. Карен Ричон, ведущий инженер отдела полетной динамики, описывает, как вывести телескоп возле точки L2 и удержать его там:

«Подумайте о том, чтобы подбросить мяч прямо вверх со всей возможной силой; сначала он летит очень быстро, но потом замедляется, поскольку гравитация притягивает его обратно к Земле, в конечном итоге мяч останавливается на своем пике, а затем возвращается на землю. Подобно тому, как ваша рука дает энергию мячу, чтобы подняться на несколько метров над поверхностью Земли, ракета Ariane 5 дала Уэббу энергию, чтобы преодолеть большое расстояние в 1,1 миллиона километров, но недостаточно энергии, чтобы избежать земного притяжения.

-Точно так же, как мяч, Уэбб замедляется и, если бы мы позволили ему, в конце концов он остановился бы и упал обратно на Землю. В отличие от мяча, Уэбб не вернется на поверхность Земли, а будет находиться на чрезвычайно эллиптической орбите с высотой перигея 300 километров и высотой апогея 1 300 000 километров. Использование тяги каждые три недели или около того от небольших ракетных двигателей на борту «Уэбба» будет удерживать его на орбите L2, где он будет двигаться по гало-орбите раз в шесть месяцев.

Итак, почему «Ариан» не дал Уэббу больше энергии и почему Уэббу понадобилась коррекция курса? Если бы «Ариан» дал Уэббу хоть чуть-чуть больше энергии, чем требовалось, чтобы добраться до L2, он двигался бы слишком быстро, когда добрался бы туда, и превысил бы желаемую орбиту.

-Уэббу пришлось бы совершить значительный тормозной маневр, толкнув его к Солнцу, чтобы замедлиться. Мало того, что такой маневр стоил бы большого количества топлива, он был бы невозможен, потому что Уэббу пришлось бы повернуться на 180 градусов, чтобы направиться к Солнцу, в результате чего оптика и инструменты его телескопа подверглись бы прямому воздействию Солнца, тем самым испытав сильный перегрев. Установка двигателей на телескоп как способ прямого торможения была невозможна по ряду причин и никогда не была вариантом конструкции.

-Поэтому Уэбб взял у ракеты «Ариан» достаточно энергии, чтобы гарантировать, что нам никогда не придется проводить дополнительное маневрирование. Ariane 5 нацелил Уэбба так точно, что наше первое и самое критическое включение двигателей было меньше, чем мы планировали и проектировали, оставляя больше топлива для расширенной миссии!