Lanzamiento de un prototipo de telescopio a la Estación Espacial Internacional

Un prototipo de telescopio diseñado y construido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha sido lanzado desde Cabo Cañaveral, Florida a la Estación Espacial Internacional (ISS).

Conocido como Carga útil de imágenes hipertemporales de ocultación estelar (SOHIP), el telescopio utiliza tecnología óptica monolítica patentada LLNL en un cardán para observar y medir las ondas de gravedad atmosférica y la turbulencia.

Lanzado el martes, el instrumento SOHIP se instalará como parte de la plataforma Houston 9 del Programa de Pruebas Espaciales del Departamento de Defensa una vez que esté a bordo de la ISS.

Un equipo interdisciplinario de Livermore produjo el instrumento SOHIP y cumplió con los rigurosos requisitos de seguridad de la NASA para su inclusión en la ISS de la NASA, una novedad de laboratorio. SOHIP también se entregó a tiempo y con un presupuesto austero de solo $ 1 millón.

“Nuestro objetivo era diseñar, desarrollar y entregar un par de telescopios monolíticos compactos y duraderos aprovechando la tecnología monolítica patentada del laboratorio y las piezas listas para usar que requieren pruebas en órbita mínimas o nulas para su inclusión en la ISS”, dijo Pete Supsinskas. , tecnólogo espacial jefe del programa de Ciencia y Seguridad Espacial LLNL. “Y logramos ese objetivo”.

Los vehículos hipersónicos (aviones o misiles) que viajan a cinco veces la velocidad del sonido a altitudes por debajo de los 90 kilómetros (km)/56 millas, operan en el entorno extremo e impredecible de la atmósfera superior, lo que puede afectar el rendimiento del vuelo. Las ondas de gravedad atmosféricas, oscilaciones en el aire que transportan energía e impulso desde la atmósfera inferior a la superior a medida que se propagan vertical y horizontalmente, crean turbulencias como las olas del océano que rompen en una playa.

“Si la capa límite de un vehículo hipersónico se expone a la turbulencia atmosférica a lo largo de su trayectoria de vuelo, la resistencia aerodinámica y el calor del vehículo aumentarán drásticamente, lo que afectará el control del vehículo”, dijo el físico del LLNL, Matthew Horsley, e investigador principal de SOHIP. “Si pudiéramos predecir con precisión las condiciones que desencadenan estas ondas de gravedad erráticas o flujos hipersónicos, podría informar un mejor diseño del vehículo, reducir costos y mejorar el rendimiento general del vuelo hipersónico”.

Comprender el estado de ánimo

Un punto de datos bien conocido sobre la atmósfera superior es el índice de refracción del aire, medido por la temperatura y la densidad. Otro aspecto medible de las condiciones de la atmósfera de la Tierra es cómo pasa la luz a través de ella: se produce la curvatura de los rayos, sensible al índice de refracción medio. La turbulencia también afecta a la luz, haciendo que parpadee. Esta es la razón por la que las estrellas parecen titilar en el cielo nocturno.

El equipo de desarrollo de SOHIP decidió aprovechar estos fenómenos para detectar cambios en la temperatura y la densidad atmosféricas y usar fluctuaciones en la refracción del aire para detectar turbulencias.

“Al medir cuidadosamente la curvatura y el centelleo de los rayos, podemos estimar las propiedades de la atmósfera que crearon estos efectos”, dijo Horsley.

SOHIP utiliza dos telescopios monolíticos, unidos a un conjunto de cardán. El cardán permite que las cámaras del telescopio apunten a dos estrellas brillantes en la “estela” de la ISS. “El verdadero desafío es que cada cámara tiene que captar imágenes de una estrella a velocidades de cuadro de más de 1000 cuadros por segundo”, dijo Lance Simms, gerente de operaciones y software de vuelo de SOHIP. Para lograr velocidades de cuadro tan altas, basta con leer un pequeño subconjunto o “ventana” del sensor de la cámara.

“Seguir el movimiento aparente de una estrella y mantenerla dentro de esa ventana usando el cardán introduciría vibraciones inaceptables. Por lo tanto, desarrollamos firmware y algoritmos especializados para mantener el cardán estacionario y hacer que la ventana siga al cardán. ‘Estrella a través del sensor’.

La alta velocidad de fotogramas facilita la cuantificación del centelleo observado, mientras que las medidas relativas entre los dos telescopios permiten rechazar el movimiento y la vibración de la plataforma. El primer telescopio tiene un campo de visión estrecho y, una vez instalado en la ISS, observará una sola estrella brillante, la estrella “científica”, mientras su línea de visión transita por la atmósfera terrestre.

El segundo telescopio tomará imágenes de una segunda estrella, la estrella de “referencia” con una línea de visión muy por encima de la atmósfera. SOHIP medirá la separación angular relativa de la estrella científica de la estrella de referencia para determinar su flexión refractiva. El centelleo de la estrella científica se medirá registrando también la intensidad de la estrella científica a velocidades de más de 1000 fotogramas por segundo.

No mucho más grande que una caja de zapatos.

A bordo de la ISS, SOHIP pesa 30 libras y no es mucho más grande que una caja de zapatos. Este conjunto extremadamente pequeño revelará nueva información sobre la temperatura media atmosférica, la presión y la densidad y fuerza de la turbulencia a una altitud y precisión sin precedentes.

“SOHIP puede brindar oportunidades para optimizar el diseño y el rendimiento de vuelo de los vehículos hipersónicos. Los datos que captura SOHIP sobre las ondas de gravedad desde múltiples ángulos y configuraciones de estrellas informarán futuras misiones, lo que nos permitirá avanzar en algoritmos para predecir las condiciones atmosféricas superiores”, dijo David Patrick, ingeniero jefe. para el proyecto SOHIP.

Un estudio de viabilidad de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio (LDRD) titulado “Observación remota de ondas de gravedad con múltiples conjuntos de datos satelitales” está investigando si los datos de SOHIP se pueden combinar con datos de otros tres instrumentos de la ISS para medir las ondas gravitacionales. atmósfera.

“Estamos estudiando si las diferentes propiedades de la atmósfera medidas por los cuatro instrumentos de la ISS se pueden combinar para observar ondas de gravedad con una resolución horizontal tan fina como 10 kilómetros en la atmósfera superior. La caracterización de las ondas de gravedad nos permitirá comprender mejor las condiciones atmosféricas superiores y restringen los patrones de circulación atmosférica”, dice Dana McGuffin, investigadora postdoctoral en la División Atmosférica, de la Tierra y de Energía del Laboratorio de Ciencias Físicas y de la Vida. ondas de gravedad con longitudes de onda horizontales de 300 kilómetros o más.

“Nos propusimos desarrollar, fabricar, entregar y demostrar un prototipo en órbita rentable y escalable capaz de observar de forma remota las ondas de gravedad atmosférica y la turbulencia a gran altitud desde el suelo a altitudes de hasta 70 kilómetros”, dijo John Ganino, LLNL. gerente asociado del programa para Space Hardware.

“Que este equipo pueda hacer algo técnicamente tan complejo con un presupuesto y un cronograma tan ajustados es un testimonio de su experiencia, su espíritu de colaboración y su compromiso con la excelencia”, dijo Ben Bahney, director del programa de seguridad y ciencia espacial del Laboratorio.