Oprava Hubbleova vesmírného dalekohledu: Nástroje používané astronauty

Když NASA 24. dubna 1990 vypustila Hubbleův vesmírný teleskop, agentura již zamýšlela vyslat astronauty, aby čas od času vyměnili vědecké přístroje observatoře, a udrželi ji tak v popředí vědy.

Ale konstruktéři teleskopu jej také učinili dostatečně flexibilním, aby vyhovoval různým nepředvídaným opravám a upgradům – tato funkce se velmi hodila, když se ukázalo, že Hubble odstartoval s vážnou chybou v primárním zrcadle, která způsobila, že jeho původní snímky byly rozmazané.

„Navrhli jsme to tak, aby bylo rozebíratelné,“řekl Russ Werneth skupině návštěvníků sociálních sítí minulý měsíc v Goddardově vesmírném letovém centru NASA v Greenbeltu v Marylandu během akce, která oslavila 25. výročí vypuštění HST.

"A co je důležitější, dát zpět dohromady," dodal Ed Rezac.

Werneth a Rezac spolu s Marion Riley pomohli navrhnout některé nástroje, které astronauti používali k modernizaci Hubbleova vesmírného dalekohledu během jeho poslední servisní mise. Několik z těchto nástrojů bylo účastníkům k dispozici.

Co budeš dělat?

Astronauti opravovali a/nebo udržovali Hubbleův vesmírný dalekohled během pěti samostatných servisních misí v letech 1993 až 2009. Pátá a poslední mise vyžadovala nejen výměnu mechanických částí a dvou vědeckých přístrojů, ale také ve vesmíru opravy dvou stávajících přístrojů.

"Poslední servisní mise byla jednou z nejnáročnějších servisních misí, které kdy byly dokončeny," řekl Rezac.

V roce 2004 došlo k výpadku napájení Hubbleova kosmického teleskopu Imaging Spectrograph (STIS). O tři roky později se Advanced Camera for Surveys (ACS) - primární kamera pro dalekohled - stala obětí elektrického zkratu. Tyto dva přístroje poskytly významná vědecká pozorování; podle Rileyho pomohla data STIS vytvořit více vědeckých prací než jakýkoli jiný přístroj v té době. Bylo tedy učiněno rozhodnutí opravit STIS a ACS spíše než je vyměnit.

"Když jsme poprvé provedli myšlenku kolem ústředí, reakce byla: 'Co budeš dělat?'," řekl Riley.

Popsala inženýry, kteří udržují Hubbleův teleskop v chodu, a pokračovala: "Pokaždé, když někdo řekl této skupině, je to nemožné, řekli jsme: 'Stůjte stranou'."

"Tohle je skupina, která udělala první," pokračovala. "Uděláme to první a další lidé následují."

Vyvíjející se elektrická vrtačka

Jedna z největších změn v nástrojích používaných k opravě HST za posledních 25 let přišla v podobě elektrické vrtačky NASA. Objemné skafandry, obavy o bezpečnost astronautů a chladné prostředí vesmíru znamenají, že vytahování šroubů ze satelitů vyžaduje nástroj, který nelze zakoupit v místním železářství.

Když astronauti v roce 1984 obsluhovali satelit Solar Maximum Mission (SolarMax), použili objemnou modrou krabici známou jako Module Service Tool (MST). Astronauti dvěma rukama podepřeli MST, odšroubovali upevňovací šrouby na SolarMaxu, odstranili rozbitý modul a provedli nezbytné opravy.

Pro druhou servisní misi HST v roce 1997 inženýři navrhli menší, kompaktnější nástroj Pistol Grip Tool (PGT). Menší PGT se otáčí asi 15krát za minutu a váží pouhých 18 liber. (8,2 kilogramů) na zemi, i když nízká tíha prostoru znamená, že hmotnost je menší problém než objem a účinnost.

PGT dnes zůstává důležitou součástí vesmírné konstrukce a stále se používá na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). Kromě poskytování nezbytných odchylek točivého momentu PGT zaznamenává počet otáček pro každý šroub do své palubní paměti, což umožňuje inženýrům přesně naplánovat čas potřebný pro budoucí mise. Werneth nazval tento nástroj „dříčem na HST a ISS“.

Protože poslední servisní mise HST vyžadovala odstranění více než 100 malých šroubů, pomalé rychlosti PGT byly pro tento úkol nedostatečné. Inženýři potřebovali postavit nový přístroj, který by zkrátil čas strávený astronauty ve vesmíru. Nejnovější elektrická vrtačka váží pouhých 10 liber. (4,5 kg) a otáčí rychlostí 210 otáček za minutu. Vrtačka také postrádá točivý moment PGT, protože síla nebyla nutná pro menší šrouby.

„Operace mozku ve tmě pomocí rukavic na pečení“

V roce 2004 ztratil vědecky produktivní přístroj STIS výkon a stal se nefunkčním. Ale jeho selhání nemělo trvalé následky. Inženýři na místě byli schopni přesně určit, kde problém vznikl, takže bylo snadné identifikovat, co je potřeba vyměnit.

S ACS to bylo složitější. Inženýři nedokázali ze země určit přesné místo výpadku proudu. Místo toho byly vyměněny všechny desky na ACS, proces, který vyžadoval odstranění více než 32 šroubů.

Žádný z Hubbleových přístrojů nebyl navržen k opravě ve vesmíru, pouze k výměně. Výsledkem bylo, že STIS a ACS nebyly příliš přátelské k astronautům. Přesto byly poruchy na obou nástrojích natolik podobné, že mnoho nástrojů používaných k výměně jednoho nástroje bylo možné přizpůsobit druhému.

Podle Wernetha, trojnásobný astronaut z Hubbleovy opravné mise John Grunsfeld, který nyní slouží jako přidružený administrátor pro ředitelství vědeckých misí NASA, popsal celý proces opravy jako „provádění operace mozku ve tmě a na rukou v rukavicích“.

Pro přístup k elektronickým kartám na ACS astronauti použili to, co je známé jako Grid Cutter Tool, aby prořízli kovovou mřížku. Poté, co kovové úchyty zajistily nástroj, astronauti otočili šrouby řezačky mřížky, aby přinutili 12 čepelí proříznout mřížku.

"Poslední věc, kterou NASA chce, abyste udělali, je dal astronautovi nůž," řekl Rezac s odkazem na obavy vesmírné agentury o bezpečnost astronautů.

Místo toho úředníci agentury dali vesmírným lidem nástroj s 12 noži.

Jednou z největších výzev bylo odstranění 143 šroubů ze dvou nástrojů – 111 od STIS a 32 od ACS – zejména proto, že šrouby nebyly kovové a nemohly být zachyceny magnety. Upuštění šroubu v garáži je nepříjemné; upustit jeden do vesmíru, kde by se mohl později srazit a poškodit Hubble, by mohlo být katastrofální.

Pro zachycení šroubů a jiných nečistot - včetně kovových hoblin, které potenciálně vytvoří řezačka mřížky - inženýři vyvinuli "záchytnou desku upevňovacích prvků". Astronauti odstranili čtyři šrouby na HST, aby nainstalovali desku přes přístupový panel. Deska umožnila astronautům odstranit šrouby, dokud je deska obsahovala. Když astronauti skončili, mohli sejmout celou desku se šrouby a nezůstali za nimi žádné úlomky nebo uvolněné šrouby.

Když byly upevňovací desky mimo cestu, museli astronauti odstranit vadné desky ze dvou přístrojů. Na Zemi mohou inženýři použít nejstarší ze všech nástrojů, lidskou ruku, k vysunutí desek z krabic. Ne tak ve vesmíru, kde bylo propíchnutí skafandru o ostrou hranu skutečným problémem.

"Nechtěli jsme, aby tam John strkal ruku," řekl Rezac.

Místo toho inženýři vyvinuli nástroj STIS Card Extraction/Insertion tool, v podstatě gigantické robotické rameno, které uchopilo desku a vysunulo ji z příslušného slotu, a poté uchopilo nové, aby ji zasunulo. Velké rukojeti vyrobené speciálně pro větší astronautské rukavice zjednodušily proces pro astronauty.

Posledním krokem bylo uzavření nově opravených vědeckých přístrojů zpět. Konstrukce nových elektronických karet pro ACS zahrnovala kryt, ale STIS zůstal otevřený vakuu vesmíru. Namísto toho, aby kosmonauti museli zašroubovat množství malých šroubků, vyvinuli inženýři novou, zjednodušenou verzi přístupového panelu pro STIS, která vyžadovala upevňovací prvky. Samotný panel byl barevně odlišen, aby byl pro kosmonauty ještě přátelštější.

"Chcete to astronautům co nejvíce usnadnit," řekl Riley.

Servisní mise budoucnosti

Hubble absolvoval svou poslední servisní misi v roce 2009, ale to neznamená, že astronauti nebudou v budoucnu podnikat výstupy do vesmíru, aby opravovali a modernizovali další satelity. Schopnost HST zůstat v popředí vědy více než čtvrt století je z velké části způsobena jeho modularitou, která by mohla v budoucnu inspirovat další mise.

Byly by přístroje na takových misích přívětivější pro astronauty? I když by to bylo možné, Riley si to nemyslí. Obecně si myslí, že je nákladově efektivnější upgradovat přístroj novým nástrojem, než se jej pokoušet opravit během výstupu do vesmíru. Říká však, že to závisí na tom, jak často mají astronauti v úmyslu obsluhovat takový satelit.

I tak se konstruktéři dnešních vědeckých přístrojů možná poučili ze servisních misí HST. Přestože vesmírný teleskop Jamese Webba (JWST) od NASA, náhrada za Hubbleův vesmírný teleskop, bude po svém startu v roce 2018 příliš daleko pro návštěvy astronautů, může přijít den, kdy by roboti mohli zajistit opravy, i když v současnosti se žádné neplánují. V důsledku toho Riley řekl, že inženýři požádali designéry JWST, aby zahrnuli obtisky a další vizuální vodítka, která by mohla přispět k tomu, aby byla robotičtější.

Ať už opravy budoucích přístrojů provádějí roboti nebo lidé, NASA prokázala svou schopnost navrhnout nástroje potřebné pro tuto práci.