211service.com
Varför Hubble är olik någon annan satellit i historien
I detta utdrag ur hennes bok Handprints on Hubble: An Astronaut's Story of Invention , berättar den första amerikanska kvinnan som gick i rymden hur det var att vara en del av teamet som designade och lanserade rymdteleskopet. 19 november 2019
Handavtryck på Hubble bokomslag MIT Press
Man kan säga att vi växte upp tillsammans, Hubble och jag. De flesta spårar Hubbles början till en Rapportera skriven 1946 av Princeton-astronomen Lyman Spitzer. Jag föddes i Paterson, New Jersey, den 3 oktober 1951. När jag växte genom min barndom och tonåring försvann Hubble i ett tillstånd av hejdad utveckling, medan den nya rymdålderns teknologier mognade nog för att föra Spitzers vision in i det möjligas rike. Av en härlig slump började vi två den sista sträckan av våra resor till rymden nästan samtidigt, med mitt val av astronaut och Hubbles kongressgodkännande båda ägde rum 1978.
Hubble är ett fantastiskt stycke ingenjörskonst. Det som skiljer Hubble radikalt från allt som byggts före eller senare är att den designades för att kunna underhållas av två personer i skrymmande rymddräkter samtidigt som den kretsar hundratals mil över jorden. Det är som att arbeta på din bil medan du bär en uppblåsbar sumobrottardräkt och boxningshandskar, med den extra vridningen att dina verktyg flyter iväg om du släpper dem.
Principerna för underhållbar design är enkla sådana som är bekanta för alla som någonsin har gjort det minsta av hem- eller bilreparationer: saker är lättare att reparera när layouten av delar är enkel och överskådlig, inga hälsosamma enheter behöver störas för att få vid den trasiga enheten är fästelementen och kopplingarna standardiserade och få unika verktyg behövs. Hur kom ett gäng människor som aldrig hade varit i omloppsbana eller burit en rymddräkt på vad underhållbar innebar i en mikrogravitationsmiljö och sedan inkorporerade allt detta i teleskopets design?
Två innovationer ger goda exempel på det uppfinningsrika och krävande arbetet som utfördes under de tidiga stadierna av Hubbles design. Svårigheten att serva Hubble satte en mycket hög premie på att förenkla verktygsgränssnitten för effektivitet och minska de omkostnader som är förknippade med att komma igång med arbetet.
Designern Henry Ford (ingen relation till bilfamiljen) bestämde sig för att ta itu med den första av dessa genom att begränsa mängden fästelement som används på teleskopet. Han gav sig iväg på jakt efter minsta möjliga bult som hade den nödvändiga draghållfastheten och ett rimligt brytmoment. På vanlig engelska betyder det en bult som är stark nog att motstå vad han gissade att krafterna skulle vara under en skyttelstart (skytteln var fortfarande på ritbrädorna, så det fanns inga fasta uppgifter), men inte för svår att lossa med en skiftnyckel . När Ford satte sig på en speciell höghållfast bult med ett dubbelt högt 7/16-tums sexkantigt huvud, började Ford sitt uppdrag med elektronikinstallationsteamet. Detta teams jobb hade alltid varit att se till att ingen elektroniklåda någonsin lossnade från dess monteringar; att ta bort bultar i omloppsbana hade aldrig fallit dem in. Efter flera omgångar av argument och analys kom de överens om att använda hans valda bult på alla sina enheter. Därefter gick Ford till mekanismteamet, ansvariga för saker som solpanelen och antenngångjärn och spärrar, och slutligen teamet för vetenskapliga instrument. När han var klar hade han samlat in de tekniska data som behövdes för att bevisa att bulten var lämplig för varje applikation och hade åtagandet att använda den från varje systems ledande ingenjör. NASA skulle senare göra detta till standardbulten på skytteln och rymdstationen för allt som kan repareras i en rymdpromenad, eller EVA [extravehikulär aktivitet].
Tom Fishers uppfinning tog sikte på den tid som var involverad i förberedelse av arbetsplatsen. Han kände de 38 EVA-arbetsplatserna på teleskopet bättre än någon annan, efter att ha gjort de exakta och detaljerade tekniska ritningarna för varje plats och kroppspositionerna som skulle göra det möjligt för lämpliga astronauter att nå och använda alla underhållsarmaturer. Fisher såg behovet av en bärbar EVA-arbetsplattform, känd som ett fotstöd, som var mer mångsidig än den enkla NASA tänkt sig använda.
En bärbar fothållare är för astronauter vad gravitation är för jordbunden mekanik: det som gör att de kan förankra sina fötter så att de kan utöva hävstång eller utöva kraft på sina verktyg. Försök att vrida en bult i rymdens mikrogravitation utan fotstöd, och du kommer att upptäcka att din fritt flytande kropp vänder sig istället. Tidiga fotstöd var i princip plattor på stolpar. De designades för att sticka rakt ut från strukturen som de var fästa vid. Fotplattan kunde bara lutas i en axel och kunde inte justeras under användning. Fisher kom på idén att lägga till pedaler på fotplattan så att astronauter kunde snurra sina kroppar med en stövelknacka. Vi skulle förfina Fishers ursprungliga koncept genom en rad neutrala flyttester som började 1985, och så småningom producera en mycket mångsidig enhet som flög på varje Hubble-uppdrag och som nu används ombord på den internationella rymdstationen.
Under de första två minuterna och 15 sekunderna var resan turbulent och högljudd, som att vara i en vild kombination av jordbävning, rockkonsert och stridsflygplan. Vibrationerna var nästan benskramlande; kraften som trycker uppåt genom min rygg stark och konstant. Jag kände dragkraften avta, hörde Charlie rapportera att de fasta raketerna brände ut som förväntat, och hörde sedan dunk som meddelade att de hade blivit övergivna. Nu verkade resan lugn och smidig som ett elektriskt tåg. När motorerna stängdes av sex minuter senare bekräftade lättheten i mina lemmar och checklistorna som flöt i slutet av deras tjuder att jag var tillbaka i omloppsbana. Jag kände mig direkt hemma.
Lättheten i mina lemmar och checklistorna som flyter i slutet av deras tjuder bekräftade att jag var tillbaka i omloppsbana, jag var tillbaka i omloppsbana. Jag kände mig direkt hemma.
Vi avslutade vår första dag i omloppsbana med gott humör. Robotarmen fungerade bra, teleskopet visade inga tecken på skada från de hårda uppskjutningskrafterna och våra rymddräkter checkade ut perfekt.
Dagen för Hubble-implementeringen för oss började med en helt förglömlig väckningslåt och de rutinmässiga startuppgifterna: klä på dig, ta en bit frukost, granska morgonmeddelandepaketet, uppdatera skyttelns navigationsdata och se till att alla våra mittdäcksexperimenten fungerade korrekt. Den noggrant utarbetade utbyggnadsplanen började rasa så fort Steve började lyfta ut teleskopet ur lastutrymmet. Spelplanen för utplaceringen av teleskopets bihang, som solpanelerna och antennerna kallades, började nu rivas upp. Nästan varje steg i denna plan avslöjade att markkontrollteamet vid Space Telescope Operations Control Center inte fullt ut hade uppskattat komplexiteten i Hubbles system och kämpade för att hantera takten och stressen i verkliga rymdflygningar.
Våra höga förhoppningar på en spektakulär första bild från Hubble kraschade till jorden några veckor senare, när världen fick reda på att det mångmiljarddollar rymdteleskopet som vi just hade satt i omloppsbana hade suddig syn. Charlie och Steve tillbringade många långa veckor med att oroa sig för att de kunde ha orsakat detta genom att stöta på teleskopet när de försiktigt lyfte det ur skyttelns lastrum. De måste ha varit de enda två människorna på jorden som var lättade över att höra att Hubbles 96-tums-diameter primära spegel hade fel form. Det var för platt vid omkretsen med 0,0001 tum, vilket är ungefär 1/25 av diametern på ett människohår eller 1/40 av tjockleken på en typisk inbunden boksida.
Detta var otroliga nyheter, ett otänkbart misstag. En flodvåg av chock och ångest svepte över NASA och Hubbles forskarsamhälle. Kongressen och media utbröt i upprördhet. Smärtan var tydligt skriven på de aska ansiktena på NASA-tjänstemän som berättade nyheten för allmänheten.
De måste ha varit de enda två människorna på jorden som var lättade över att höra att Hubbles 96-tums-diameter primära spegel hade fel form.
Att lansera det första underhållsuppdraget två till tre år efter utplaceringen hade länge varit planen, men ingen hade någonsin föreställt sig att Hubble-uppdragets liv skulle hänga i balans den allra första tiden.
Som så ofta är fallet var tricket för att hitta en lösning att omarbeta problemet. Behövde verkligen själva spegeln fixas? Anta istället att den verkliga utmaningen var att korrigera ljuset som det reflekterade in i instrumenten? En lycklig omständighet – den ensamma lilla biten av goda nyheter i ett annars riktigt hemskt fiasko – antydde att detta kunde vara möjligt. Spegelns form var verkligen fel, men den var exakt fel. Detta innebar att ingenjörerna kunde beräkna mycket exakt skillnaden mellan dess faktiska form och den form den var tänkt att vara. Denna information kan sedan användas för att beräkna korrigeringen som skulle återställa teleskopets syn, ungefär som en optiker bestämmer formen på de receptbelagda linserna som behövs för ett par glasögon.
I oktober hade teamet konturerna av en återhämtningsplan i handen. Ett av de fyra stora vetenskapliga instrumenten i Hubbles akterände skulle ersättas med en identisk låda som innehåller den korrigerande optiken - små speglar i Hubbles fall, snarare än linser. Dessa speglar skulle ge korrekt fokuserat ljus till teleskopets styrsensorer och de tre återstående instrumenten. Liknande speglar skulle byggas in i ersättningsenheten för Hubbles huvudsakliga bildinstrument, Wide Field/Planetary Camera, som redan var under konstruktion.
Fyra andra skyttelbesättningar skulle besöka Hubble under de kommande 16 åren. Varje serviceuppdrag förbättrade de befintliga metoderna och uppfann nya enheter för att hantera allt mer komplexa reparationer, men alla förlitade sig starkt på de verktyg och utrustning som producerades av det ursprungliga teamet. Vid det fjärde uppdraget gjorde Hubble-reparationsteamen saker som vi aldrig skulle ha övervägt redan 1990, som att ta av locket från ett känsligt vetenskapligt instrument monterat bara några meter under den primära spegeln för att byta individuella kretskort.
När de utförde sina livsviktiga uppgifter lämnade de rymdvandrande astronauterna som skötte teleskopet sina handavtryck på dess yttre hud.
Under loppet av de fem underhållsuppdragen skulle 16 rymdvandrare spendera totalt 165,8 timmar - bara sex minuter under sju hela dagar - med att åka på skyttelns robotarm eller klättra runt teleskopet. Tack vare dessa uppdrag är teleskopet idag ett mycket bättre instrument än det vi först använde den 25 april 1990. Dess tillförlitlighet, datalagring och dataöverföringshastigheter steg allt eftersom rymdfärjans besättningar ersatte den ursprungliga elektroniken från 1970-talet med staten toppmoderna solid state-komponenter.
En trefaldig ökning av känsligheten gör att den kan se djupare in i universum. Hubbles kameror är 100 gånger bättre idag än de var från början, och dess spektrografer är 10 gånger bättre. Alla dessa framsteg gjorde det möjligt för Hubble att mäta universums expansionshastighet, känd som Hubble-konstanten, nästan fem gånger mer exakt än målet för preflight-design, och att bli erkänd som det mest produktiva observatoriet som någonsin byggts.
I princip allt som återstår av Hubble vi bar upp i luften 1990 är de två speglarna och mätfackverket som håller dem, de gula EVA-handräckena och fotstödsuttagen och det blanka silverfärgade yttre skalet som gör denna magnifika flygmaskin så lätt att upptäcka när den passerar över huvudet i skymningen. Den silverhuden glittrar mycket mindre än den gjorde den dagen jag såg Hubble första gången i april 1985. Mycket av förfallet beror helt enkelt på den hårda miljön i rymden. Alla satelliter vädras när de bombarderas konstant av mikrometeoroider, bitar av rymdskräp, intensiv strålning och de laddade partiklarna i solvinden. Hubble är ensam bland satelliter som påverkas av en annan väderkraft: mänsklig kontakt. När de utförde sina livsviktiga uppgifter lämnade de rymdvandrande astronauterna som skötte teleskopet sina handavtryck på dess yttre hud.
Dessa synliga handavtryck är som toppen av ett isberg, dramatiska antydningar om en större massa som är utom synhåll. För mig symboliserar de de otaliga jordbundna händerna som designade underhållsmöjligheter i teleskopet, byggde de verktyg och utrustning som behövdes för att göra verklighet av service i omloppsbana, utbildade flygbesättningarna och arbetade varje uppdrag lika outtröttligt som astronauterna själva. Var och en av dessa osjungna människor kan med rätta hävda att de också har lämnade handavtryck på Hubble.
Kathryn D. Sullivan är en NASA-astronaut (pensionerad), tidigare underminister för handel för oceaner och atmosfär vid National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), och en invald i Astronaut Hall of Fame. Denna uppsats är anpassad och utdrag från hennes bok, Handprints on Hubble: An Astronaut's Story of Invention , som publiceras den 19 november 2019 av MIT Press.