Korrektiver optischer Weltraumteleskop Axialer Ersatz

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“COSTAR” leitet hier weiter. Für den Ausschuss für Weltraumforschung (COSPAR) siehe COSPAR.

COSTAR ausgestellt im Nationalen Luft- und Raumfahrtmuseum

Das Korrektiver optischer Weltraumteleskop Axialer Ersatz ((COSTAR) ist ein optisches Korrekturinstrument, das von der NASA entwickelt und gebaut wurde. Es wurde entwickelt, um die sphärische Aberration des Hubble-Weltraumteleskops zu korrigieren‘s Primärspiegel, der das Licht fälschlicherweise auf die Instrumente Faint Object Camera (FOC), Faint Object Spectrograph (FOS) und Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) fokussierte.[1]

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Es wurde am 2. Dezember 1993 in der Wartungsmission STS-61 per Shuttle zum Teleskop geflogen und über einen Zeitraum von elf Tagen erfolgreich installiert.

Nachdem 1990 festgestellt worden war, dass der Primärspiegel des kürzlich vorgestellten Hubble-Weltraumteleskops (HST) defekt war, weil er bei der NASA auf die falsche Form geschliffen worden war, gerieten die Ingenieure unter enormen Druck, das Problem zu beheben. Die falsche Form des Spiegels führte zu einer starken sphärischen Aberration, einem Fehler, bei dem Licht, das von der Kante eines Spiegels reflektiert wird, auf einen anderen Punkt fokussiert als das Licht, das von seiner Mitte reflektiert wird. Die Auswirkung des Fehlers auf wissenschaftliche Beobachtungen hing von der jeweiligen Beobachtung ab – der Kern der aberrierten Punktstreufunktion war scharf genug, um hochauflösende Beobachtungen heller Objekte zu ermöglichen, und die Spektroskopie von Punktquellen wurde nur durch einen Empfindlichkeitsverlust beeinflusst. Der Lichtverlust des großen, unscharfen Lichthofs verringerte jedoch die Nützlichkeit des Teleskops für schwache Objekte oder kontrastreiche Bilder erheblich. Dies bedeutete, dass fast alle kosmologischen Programme im Wesentlichen unmöglich waren, da sie die Beobachtung außergewöhnlich schwacher Objekte erforderten. [2]

Entwicklung[edit]

Beim Start des HST befanden sich fünf wissenschaftliche Instrumente: die Weitfeld- und Planetenkamera (WFPC), der Goddard-Hochauflösungsspektrograph (GHRS), das Hochgeschwindigkeitsphotometer (HSP), die Faint Object Camera (FOC) und der Faint Object Spectrograph (FOS). Da es zu schwierig war, das HST für Reparaturen wieder auf die Erde zu bringen, erwogen die Ingenieure alles, vom Austausch des Sekundärspiegels des Teleskops durch Senden eines raumlaufenden Astronauten in die optische Röhre des Teleskops bis zur Installation eines kreisförmigen Schirms um die Öffnung der Röhre, der sich verringern würde die Blende und Verbesserung des Fokus durch Ausblocken der äußeren Bereiche des Primärspiegels.[3]

Es wurde schließlich festgestellt, dass die HF, die sich noch im Orbit befindet, die WFPC durch die verbesserte Weitfeld- und Planetenkamera 2 ersetzen könnte, die eine Korrekturoptik enthalten würde. [3] Dies ließ noch Lösungen für die verbleibenden Instrumente zu finden. Eine mögliche Option bestand darin, Korrekturoptiken, Linsen oder Spiegel in das Teleskoprohr zwischen dem Primärspiegel und dem Sekundärreflektor einzufügen. Die Röhre war jedoch zu schmal, als dass selbst der kleinste Astronaut sie herunterrutschen könnte, was zu einer Suche nach einem Mittel führte, um die erforderlichen Korrekturkomponenten in die Röhre einzuführen. [4]

In Deutschland fand ein Krisentreffen der Europäischen Weltraumorganisation statt, um die Themen mit dem HST zu erörtern. Unter den Teilnehmern war James H. Crocker, ein leitender optischer Ingenieur bei der Ball Aerospace Corporation. Als er eines Morgens in seinem deutschen Hotel duschte, bemerkte er, dass der Duschkopf auf einer vertikalen Stange fuhr und in verschiedenen Höhen und Winkeln an der Stange festgeklemmt werden konnte. Das Dienstmädchen hatte den Duschkopf an der Basis der Stange gelassen und flach an der Wand positioniert, was bedeutete, dass er nur sehr wenig Platz beanspruchte, bis Crocker die Klammer löste und sie in die gewünschte Position brachte. Ihm kam die Idee, dass sie die erforderlichen Korrekturkomponenten an einem solchen Gerät montieren könnten, das es ihnen ermöglicht, sie in die Röhre einzuführen, bevor sie an Roboterarmen in die erforderliche Position ausgeklappt werden, um die Lichtstrahlen vom Sekundärspiegel korrekt abzufangen und dann konzentrieren sie sich auf die verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente.[4]

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Zurück in Amerika erklärte er seine Idee, die sofort von anderen Ingenieuren aufgegriffen wurde, die mit der Entwicklung des COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) von 1990 begannen. Die budgetierten Kosten des COSTAR betrugen 50.000.000 USD.[5] Um das COSTAR-System auf das Teleskop zu montieren, musste eines der anderen Instrumente entfernt werden, und die Astronomen wählten das zu opfernde Hochgeschwindigkeitsphotometer aus, das der am wenigsten wichtige der vier Axialdetektoren war.[2]

Das endgültige Design, das die Größe einer Telefonzelle hat, bestand aus kleinen Korrekturspiegeln, die horizontal aus einem ausziehbaren Turm herausstrahlten. Für die Blende jedes Instruments gibt es zwei Spiegel, M.1 und M2. M.1 das sich im Lichtweg befindet, wirkt als Feldspiegel und ist eine einfache Kugel, während die Korrektur der sphärischen Aberration durch M erfolgt2 Das ist nicht perfekt geformt und reflektiert das einfallende Licht ungleichmäßig. Die Abweichungen wurden jedoch so berechnet, dass sie genau umgekehrt zu denen des Hauptspiegels sind. Nachdem das Licht von den beiden Spiegeln reflektiert und korrigiert wurde, ist es wieder in der richtigen Form. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das korrigierte Feld frei von Koma ist.[6][7] Insgesamt zehn Korrekturspiegel mit Durchmessern im Bereich von ungefähr 18 bis 24 mm wurden verwendet, da die Kamera für schwache Objekte und der Spektrograph für schwache Objekte jeweils zwei Öffnungen für jeden ihrer beiden Messkanäle hatten, während der hochauflösende Goddard-Spektrograph nur eine Öffnung für hatte beide Kanäle.[5] Das Design wurde durch die Notwendigkeit erschwert, sicherzustellen, dass die Lichtstrahlen für die oben genannten Instrumente, die am Ende des Teleskoprohrs angebracht waren, die Strahlen für das neue WFPC 2 verfehlten, das auf einer Seite des Teleskoprohrs angebracht war.[4]

Im Januar 1991 wurde Ball Aerospace Corp. von der NASA als Hauptauftragnehmer ausgewählt, um die gesamte Entwicklung, Produktion und Verifizierung von COSTAR durchzuführen, ein Prozess, der 26 Monate dauerte.[5] Um die erforderlichen Korrekturen zu berechnen, berechnete ein Team den vorhandenen Fehler, indem es das noch in situ befindliche Werkzeug untersuchte, das zur Herstellung des Primärspiegels verwendet wurde, während ein anderes unabhängiges Team ihn anhand der von Hubble übertragenen verzerrten Bilder berechnete. Beide Teams kamen zu praktisch identischen Messergebnissen. Die anschließend hergestellten Korrekturspiegel wurden dann von zwei unabhängigen Teams auf Fehler überprüft. Nach Abschluss wurde der gesamte COSTAR im COSTAR Alignment System (CAS) getestet. Um den CAS auf Fehler zu überprüfen, wurde der COSTAR in den speziell entwickelten opto-mechanischen Hubble-Simulator (HOMS) eingebaut, der die Fehler im fehlerhaften Primärspiegel simulierte, um einen End-to-End-Test und damit eine Überprüfung des Ausgabebilds zu ermöglichen. Das HOMS-System wurde auch von zwei unabhängigen Gruppen (eine von Ball Aerospace und die andere vom Goddard Space Flight Center) unter Verwendung verschiedener Testinstrumente getestet. Die Europäische Weltraumorganisation trägt ebenfalls zum Überprüfungsprozess bei, indem sie ein technisches Modell der Kamera für schwache Objekte bereitstellt, um eine zusätzliche Überprüfung zu ermöglichen.[5]

Installation[edit]

COSTAR ersetzte das Hochgeschwindigkeitsphotometer während der ersten Hubble-Wartungsmission im Jahr 1993.[8] Die ursprüngliche WFPC wurde während derselben Mission durch die WFPC 2 ersetzt.[4]

Am 28. Dezember 1993 wurden die Roboterarme vom Space Telescope Science Institute angewiesen, die Spiegel in Position zu bringen. Die resultierenden Bilder bestätigten, dass der COSTAR die sphärische Aberration im Primärspiegel korrigiert hatte.[7]

  • COSTAR wird während der ersten Wartungsmission in Hubble eingefügt.

  • Astronauten arbeiten an der Installation der Hubble-Korrekturoptik während der Wartungsmission 1.

  • Nahaufnahme des Arbeitsmechanismus von COSTAR. Die Spiegel ragten links aus dem Körper von COSTAR heraus.

Außerbetriebnahme[edit]

Spätere Instrumente, die nach dem ersten Einsatz des HST installiert wurden, wurden mit einer eigenen Korrekturoptik entworfen. COSTAR wurde 2009 während der fünften Wartungsmission aus HST entfernt und durch den Cosmic Origins Spectrograph ersetzt. Es ist jetzt im Nationalen Luft- und Raumfahrtmuseum von Smithsonian in Washington, DC, ausgestellt.[9][3]

Diagramm[edit]

Abbildung 4 aus dem NASA-Bericht “Eine Strategie zur Wiederherstellung” zeigt, wie die Spiegel M1 und M2 das Sternenlicht abfangen und korrigieren

Verweise[edit]

  1. ^ Crocker, James H. (1993). “Engineering the COSTAR”. Optik & Photonik Nachrichten. 4 (11).
  2. ^ ein b Tatarewicz, Joseph N. (1998). “Die Hubble-Weltraumteleskop-Wartungsmission”. In Mack, Pamela E. (Hrsg.). Von der Ingenieurwissenschaft zur großen Wissenschaft. NASA History Series. NASA. p. 375. ISBN 978-0-16-049640-0. NASA SP-1998-4219.CS1-Wartung: ref = harv (Link)
  3. ^ ein b c Harwood, William (22. April 2015). “Wie die NASA Hubbles fehlerhafte Vision und Reputation reparierte”. CBS. Abgerufen 16. April 2020.
  4. ^ ein b c d Winchester, Simon (2018). Genau: Wie Präzisionsingenieure die moderne Welt erschufen. London: William Collins. S. 245–250. ISBN 978-0-00-824176-6.
  5. ^ ein b c d “NASA Facts – Korrektiver optischer Weltraumteleskop-Axialersatz (COSTAR)” (PDF). Goddard Space Flight Center. Juni 1993. Abgerufen 24. April 2020.
  6. ^ Brown, RA; HC Ford (1990). Bericht des HST Strategy Panel: Eine Strategie zur Wiederherstellung (PDF) (Technischer Bericht). NASA. CR-187826. Abgerufen 24. April 2020.
  7. ^ ein b Jedrzejewski, RI; Hartig, G; Jakobsen, P; Ford, HC (1994). “In-Orbit-Leistung der COSTAR-korrigierten Faint Object Camera” (PDF). Astrophysikalische Tagebuchbriefe. 435: L7 – L10.
  8. ^ “Axialer Ersatz für Weltraumteleskope mit korrigierender Optik (COSTAR)”. Abgerufen 18. Juli 2015.
  9. ^ “Kamera, die Hubble jetzt auf dem Display gespeichert hat”. NPR. 18. November 2009.

Externe Links[edit]

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