Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» создали уникальный прибор, с помощью которого можно измерять малые деформации материала, вызванные изменением температуры, электрическим и магнитным полем, внешним давлением. Прибор собран по заказу АО «Информационные спутниковые системы» (ИСС) и используется для разработки российского космического телескопа «Миллиметрон».
Дилатометр
«Миллиметрон» – это один из высокотехнологичных российских научных проектов в космосе. Он должен стать единственной в мире космической обсерваторией миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн в ближайшие 10-20 лет, что сделает Россию мировым лидером в важнейшем направлении космических исследований. Запуск телескопа с охлаждаемым десятиметровым зеркалом запланирован на 2030 год. Это будет самая большая охлаждаемая антенна в космосе.
Для сравнения: диаметр зеркала космического телескопа им. Джеймса Уэбба (JamesWebbSpaceTelescope, JWST) равен 6.5 м. Разумеется, прямое сопоставление здесь не совсем корректно, поскольку JWST работает в ближнем и среднем ИК-диапазонах электромагнитного излучения (длина волны 0,6–28 мкм), более близких к видимому свету и предъявляющих более высокие требования к точности геометрии и чистоте обработки поверхности зеркала. «Миллиметрон» рассчитан на дальний ИК и субмиллиметровый диапазон (0,1–10 мм, то есть 100–10000 мкм), более близкий к радиоволнам, поэтому его главное зеркало также называют антенной, хотя чистота обработки ее поверхности и точность геометрии также должны быть очень высоки.
«Миллиметрон» и JWST скорее дополняют друг друга, чем конкурируют, однако от сравнений не уйти. Слишком много у проектов общего: работа в окрестности точки L2 в 1,5 млн км от Земли; использование раскрываемых на орбите зеркал, поскольку под обтекателями ракет их можно уместить только в сложенном виде; охлаждение до криогенных температур; управление геометрией «лепестков» зеркал с помощью высокоточных актуаторов; огромные теплоизоляционные экраны, прикрывающие телескопы от Солнца; близкая масса космических аппаратов – 6,5 тонны у JWST и 6,6 тонны у «Миллиметрона»; схожие габариты – около 20 м.
Александр Фрейдман
Для того чтобы проект был успешно реализован, очень важно провести все необходимые исследования и расчёты на Земле. О том, какие задачи в рамках этого проекта решают красноярские ученые, рассказал старший научный сотрудник лаборатории сильных магнитных полей Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Фрейдман.
– Расскажите, пожалуйста, чем вы сейчас занимаетесь?
– «Миллиметрон» — это космическая обсерватория, которая будет располагаться на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли. Задач у этого проекта масса. Например, он будет ловить свет от ранних галактик, появившихся в первый миллиард лет после Большого взрыва, в то время свет от них был в ультрафиолетовом диапазоне. Так как Вселенная расширяется, объекты удаляются друг от друга и их скорость увеличивается, это излучение сместилось в инфракрасную зону. Чтобы их увидеть, нужно смотреть именно в этом диапазоне. Он будет работать не только в формате телескопа, но и в формате интерферометра, как удаленная пара для второй обсерватории, расположенной на Земле. Благодаря большому расстоянию между двумя обсерваториями на Земле и в космосе может быть достигнуто гигантское угловое разрешение.
Основная задача, которая возложена на Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, — это исследование материалов, выяснение их пригодности для использования в таких условиях. Мы запускаем космический аппарат, собранный на Земле, у него есть свои размеры и характеристики. Когда он оказывается в космосе и раскрывается, начинает работать криогенная система, которая все охлаждает до температур, близких к абсолютному нулю. Все материалы реагируют на изменение температуры. Это нужно учесть для того, чтобы конструкция работала. Зеркало — это сложная система, ее нужно сделать очень точной. Чем более правильной будет геометрия, тем точнее мы сможем увидеть дальние объекты. Зеркало не может быть идеальным, потому что оно состоит из элементов. Такую конструкцию запустить целиком в космос нельзя, поэтому она будет состоять из деталей, которые будут раскрываться. Соответственно, мы не получим идеальное параболическое зеркало, оно все равно будет состоять из деталей, но эти детали обладают возможностью настройки. У каждого элемента есть несколько приводов, которые позволяют делать прогиб, изгиб, смещение.
Само зеркало будет работать при температуре -269 градусов Цельсия, а вот датчик, который ловит сигнал, — при температуре -272 градуса. Для того чтобы понять, как поведут себя материалы при столь низких температурах, мы и проводим эксперименты на Земле. Все материалы, которые используются в космосе, как правило, сложные, они должны быть легкими и прочными — это композитные материалы. Приведу пример: предположим, что у нас деталь, которая состоит из стекла и футбольного мячика, скрепленных друг с другом. Мячик при охлаждении сожмется, а стекло практически не деформируется, из-за этого возникнет внутреннее напряжение в стекле, и оно может не выдержать. Поэтому необходимо понимать, как состыковать детали из разных материалов. Кроме вопросов, связанных с поведением самих материалов, есть еще особенности конструкции, которые определяются жесткими геометрическими параметрами.
– В чем сложность конструкции телескопа?
– Телескоп имеет зеркало, охлаждаемое до температуры -269 градусов, которое защищено от излучения извне несколькими экранами. Четыре экрана пассивные и один экран активный. Это означает, что четыре экрана просто отражают излучение, а еще один экран охлаждается хладагентом. Экраны нужны для того, чтобы тепловое излучение, например, от солнца, не грело принимающее зеркало. Зеркало должно иметь низкую температуру, для того чтобы на датчик приходил исключительно отраженный сигнал, а само зеркало не являлось источником инфракрасного излучения. Датчик же расположен по центру и имеет температуру еще ниже порядка -272 градуса, говорят, что это будет одна из самых холодных точек во Вселенной, не считая лабораторий, расположенных на Земле. Диаметр зеркала — 10 метров, диаметр всей конструкции — 20 метров.
– Расскажите о приборе, который вы разработали.
– Инструмента для того, чтобы определять тепловое расширение при температурах, близких к нулю, в России нет. Мы его и разработали. Это дилатометр. Первый образец собрали в 2014 году. Макет запустили на оборудовании Института физики СО РАН. Это исследовательское измерительное оборудование, работающее на Земле, которое позволяет выяснить параметры коэффициента теплового расширения в нужном диапазоне температур. В прошлом году мы поставили уже рабочий дилатометр в АО «Информационные спутниковые системы» (ИСС). У них есть криогенная камера, которая охлаждает материалы до низких температур, куда мы установили дилатометр и программное обеспечение. Ближайший проект, который планируется, — это дилатометр, который рассчитан не на пленочные материалы, а на объемные материалы. В космосе часто используется полиимидная пленка для того, чтобы экранировать какое-то излучение, если её покрыть, например, отражающим слоем. Соответственно, первый прибор создан для таких материалов. Объемные материалы — это сплавы или композитные материалы, углепластики.
– В чем уникальность дилатометра?
– Аналоги этого прибора в мире есть, но в РФ нет другого прибора, который может сделать то же самое. Мы искали калибровочные образцы, но ни один институт не дал нам нужного результата. В ФГУП ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, где занимаются вопросами, связанными с метрологией в России, есть приборы, которые могут проводить измерения при температурах выше -196 градусов Цельсия. Они нам дали контакты другого института, где подобная установка существовала в 70-е годы прошлого века, но она сейчас не работает, и запуск ее не предполагается.
В каком-то смысле наша работа — это изобретение велосипеда, которое пришлось сделать. Сам метод измерения известен давно и используется. Но нам нужно было реализовать прибор, который будет работать в составе того оборудования, которое есть в АО «ИСС». Это криоблок с уникальными параметрами. Под него мы и сделали прибор.
В рамках этого же проекта мы исследуем на сертифицированном оборудовании теплоемкость и теплопроводность материалов, коэффициенты излучения. Чтобы понимать, сколько будет приходить на датчик фонового сигнала от зеркала, нужно провести соответствующие измерения.
– Такие задачи можно решить только на Земле, ведь когда мы запустим установку в космос, там уже ничего нельзя поменять?
– Конечно. Поэтому выполнять такую работу — это большая ответственность. Если мы ошибемся в расчетах на Земле, то в космосе уже ничего нельзя будет поправить. Дилатометр работает на Земле, здесь он измеряет материалы, из которых планируется делать российский космический телескоп «Миллиметрон», участвует в подборе материалов. Ответственность огромная, потому что «Миллиметрон» станет единственной в мире космической обсерваторией миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн в ближайшие 10-20 лет. Запуск телескопа запланирован на 2030 год вместе с космическим аппаратом «Спектр-М». «Миллиметрон» — это телескоп, а то, что сделали мы, — это прибор, который используется для построения этого телескопа. «Миллиметрон» будет расположен в точке Лагранжа, на расстоянии около 1,5 миллиона километров от Земли и будет иметь очень низкую температуру. Поэтому нам важно понимать, как поведут себя материалы в таких условиях.
Автор фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
