Лаборатория имени Койпера на базе C-141A совершила 1417 вылетов для проведения наблюдений и принесла много новых знаний о Вселенной. Но и 90 см зеркало - не
слишком светосильный инструмент. Поэтому после вывода из эксплуатации лаборатории в 1995 г. в NASA решили создать намного более совершенный летающий
инфракрасный телескоп. И создали, правда, на это ушло больше десяти лет.
В этот раз телескоп установили на борту самолёта Boeing 747SP. Самолёт и проект в целом получили обозначение SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared
Astronomy: стратосферная обсерватория для инфракрасной астрономии).
Самолёт Boeing 747SP-21, вариант самолёта Boeing 747 с укороченным фюзеляжем, уменьшенной пассажировместимостью, но увеличенной дальностью, с регистрационным
номером N536PA (красивый номер N747NA он получил только в NASA в 2004 г.) построили в 1977 г. Вначале его оснастили ТРДД JT9D-7A, но позднее их заменили на
двигатели JT9D-7J большей тяги. Самолёт до февраля 1986 г. эксплуатировался в авиакомпании "Пан Америкэн", на носовую часть фюзеляжа нанесли собственное имя
"Клипер Линдберг". В феврале 1986 г. самолёт купила авиакомпания "Юнайтед Эрлайнс", при этом регистрационный номер сменился на N145UA. Всего "Боинг" совершил
около 11000 полётов с пассажирами, в среднем по полтора полёта в день. Это весьма интенсивная эксплуатация для дальнемагистрального авиалайнера.
NASA приобрела N145UA в 1998 г., но разработка, производство и установка телескопа затянулись на десять лет. За это время заменили двигатели и оборудовали отсек
для телескопа. Лётные испытания самолёта с установленным телескопом начались 18 декабря 2009 г., первые вылеты на наблюдения - в 2010 г., а регулярная
эксплуатация - в 2012 г Диаметр параболического зеркала телескопа SOFIA равен 2,7 м. Это значит, что его светосила, а она пропорциональна площади зеркала, ровно
в 10 раз больше, чем у "Спитцера" и в 9 раз больше, чем у предыдущего летающего телескопа "Койпер".
Впервые телескоп смонтировали не в салоне, а в изолированном отсеке в хвостовой части фюзеляжа, отделенном от основной кабины дополнительной герметичной
перегородкой. Отсек с телескопом не наддувается на высоте, это только ухудшило бы качество изображения. В отсеке во время полёта поддерживается постоянная
низкая температура, близкая к температуре наружного воздуха (-50-60 град. Цельсия). Это уменьшает тепловые шумы и также улучшает качество изображений. Было
приложено много усилий для снижения массы телескопа. Так, основание зеркала выполнили из сотовых композитных материалов. Тем не менее, масса телескопа и
вспомогательного оборудования составляет 17 т. Это потребовало принять меры для сохранения центровки самолёта, в частности, изменена топливная система.
Телескоп установлен в отсеке на гиростабилизированной платформе. Приводы платформы, в свою очередь, отделены от каркаса фюзеляжа масляно-пневматическими
гасителями колебаний.
Телескоп работает с девятью различными комплектами инструментов, отличающимися диапазонами наблюдаемых волн, спектральной и угловой разрешающими способностями.
Смена инструментов производится между полётами (вот оно, преимущество перед космическими аппаратами), в каждом полёте используется только один комплект. Датчики
охлаждаются жидким гелием, запас которого также обновляется перед каждым полётом.
Основные инструменты телескопа SOFIA - это датчик ближнего ИК-спектра FLITECAM, регистрирующий электромагнитные волны длиной 1-5 мкм, датчик среднего ИК-спектра
FORCAST (длина волн 5-40 мкм) и датчик дальнего ИК-спектра HAWC (42-210 мкм). Напомним, что будущий космический телескоп JWST сможет регистрировать волны с
длиной не более 26 мкм.
Кроме того, возможна установка на телескоп SOFIA ИК-спектрометров и оптического датчика, применяемого для калибровки телескопа. Таким образом, SOFIA может
проводить съёмку небесных объектов в диапазоне волн от 1 до 210 мкм, а это почти 8 октав (удвоений частот) в отличие от одной октавы видимого света. Планируется
увеличить диапазон наблюдаемых волн: от 0,3 мкм (а это уже ближний ультрафиолет) до 240 мкм.
Точность полировки зеркала составляет 8,5 нм - в 120 раз меньше минимальной длины наблюдаемого излучения, это очень высокое значение. Для сравнения:точность
полировки телескопа "Хаббл" по техзаданию была 10 нм, а реально получилось хуже. Возможность использования различных датчиков и обновления запасов жидкого гелия
даёт лаборатории SOFIA существенные преимущества перед спутниковыми телескопами.
Наблюдения ведутся через тонкое изогнутое стекло размером около 4 х 3 м, прикрытое защитной сдвижной дюралюминиевой кулисой. Отсутствие наддува позволяет
уменьшить толщину стекла, что также улучшает качество получаемых изображений. По словам лётчиков, сдвиг кулисы не сказывается на поведении самолёта в полёте и
определить её положение можно только по индикатору.
Недостатком телескопа является то, что максимальный угол его возвышения равен только 60 град.. Объекты в конусе с раствором 60 град. и осью, направленной в
зенит, сфотографировать не удастся. Однако, можно изменить широту полёта - и они уже будут не в зените.
Чаще всего полёты производятся в приполярных районах Арктики и Антарктики, там атмосфера суше всего и поглощение ИК-излучения в её верхних слоях минимально.
Большинство полётов совершается в Антарктике - оттуда виден район центра нашей Галактики, где сосредоточено большинство интересующих астрономов объектов
наблюдения.
Во время полётов в южном полушарии самолёт базируется в новозеландском международном аэропорту города Кристчёрч (Christchurch), для летающей лаборатории там
построен отдельный отапливаемый и кондиционируемый ангар. В ангаре имеется склад запасных частей, в том числе, один запасной двигатель.
Продолжительность полёта обычно превышает 10 часов, чаще всего он совершается по кругу вокруг Антарктиды. За это время проводят наблюдения по 3-4
исследовательским проектам. Разработка программы полёта занимает несколько недель, но так как полёты выполняются в интересах многих научных организаций,
одновременно планируется несколько миссий. Обычно совершается около 100 полётов в год. При обнаружении новых явлений возможны и внеплановые вылеты: так, осенью
2019 г. лаборатория SOFIA использовалась для наблюдений в инфракрасном диапазоне межзвёздной кометы Борисова.
Инфракрасный телескоп очень чувствителен к парам воды, поэтому взлёт и посадка в тумане или при дожде нежелательны. Для летающей лаборатории предусмотрены
несколько запасных аэродромов в Новой Зеландии и Австралии, где самолёт может переждать плохую погоду, а затем перелететь в Кристчёрч. В ангаре же воздух
осушается и кондиционируется.
Временной график полёта выдерживается с точностью не хуже 2 минут - это необходимо для успешного выполнения наблюдений. В отличие от коммерческих авиалайнеров
основное внимание уделяется не движению точно вдоль намеченной трассы, а поддержанию постоянных углов крена, угла атаки и курсового угла для обеспечения работы
телескопа, при этом допускается отклонение самолёта в сторону от намеченного в плане полёта маршрута на расстояние до 20 морских миль (37 км).
Обычно самолёт движется по дуге большого радиуса вокруг полюса, каждые 3-4 минуты направление изменяется на 1 град.. Такой режим оптимален для того, чтобы
телескоп постоянно держал выбранный объект в поле зрения. Сам телескоп ограниченно подвижен и может поворачиваться по азимуту только на 4 град..
Ещё одно отличие профиля полёта летающей лаборатории от полётов пассажирских самолётов -быстрые набор высоты и снижение. Увеличению времени наблюдений придаётся
большее значение, чем экономии топлива на этих этапах полёта. Наконец, высота полёта летающей лаборатории заметно выше, чем у рейсовых авиалайнеров, и
составляет 13 - 13,5 км.
На борту самолёта обычно находятся 14 человек: два лётных экипажа по три человека, руководитель полёта, техники и астрономы. Во время полёта астрономы
контролируют выполнение заранее намеченной программы наблюдений, но в случае обнаружения любопытных феноменов могут и скорректировать её.
Как уже говорилось, отсек телескопа негерметичен. Поэтому доступ к оборудованию телескопа в полёте не возможен, все неполадки устраняются только между полётами
на земле.
После посадки собранные данные по цифровым каналам связи отправляются в исследовательский центр NASA "Амес".
И телескоп, и самолёт-носитель регулярно модернизируются. В 2012 г. заменили авионику самолёта. На смену стрелочным приборам пилотов пришли многофункциональные
дисплеи, но место бортинженера в кабине сохранили: требования к выдерживанию скорости, а значит, и к режиму работы двигателей, у летающего телескопа намного
жёстче, чем у пассажирских авиалайнеров. Бортинженер управляет и кулисой отсека телескопа.
На рабочем месте бортинженера остались стрелочные приборы индикации работы двигателей, топливной системы и СКВ (системы кондиционирования и вентиляции). Их
ремонт начинает представлять проблему: не хватает и запасных частей, и специалистов, сохранивших навыки обращения с такой техникой.
SOFIA - международный проект. 80% затрат (около 85 млн. долларов в 2019 г.) финансирует NASA, 20% -немецкое аэрокосмическое агентство DLR (Deutsches Zentrum fur
Luft- und Raumfahrt). DLR отвечало за разработку собственно телескопа и двух из девяти датчиков, NASA -за приобретение и модернизацию самолёта, семь датчиков,
наземное обслуживание и организацию сети сбора и обработки данных.
Обычно в каждом полёте на борту находится как минимум один представитель DLR. К обработке же данных широко привлекается международная университетская ассоциация
по космическим исследованиям, её штаб-квартира находится в США. Трудоёмкие формы обслуживания самолёта (C-Check) проводятся авиакомпанией Люфтганза в Гамбурге.
Очередной C-Check самолёт прошёл в начале октября 2020 г.
Среди открытий, совершённых лабораторией SOFIA за десять лет эксплуатации, обнаружение газопылевых колец вокруг гигантской чёрной дыры, находящейся в центре
нашей галактики, а также обнаружение в межзвёздном пространстве молекул дигидрида гелия (НеН2), возможно, первых сложных молекул, образовавшихся во Вселенной
после большого взрыва. Съёмка газопылевых колец потребовала пятичасового полёта по дуге с точным выдерживанием направления, всё это время объект съёмки
находился в фокусе телескопа. Один из наиболее трудоемких проектов, ведущихся лабораторией, - создание атласа звёзд центра нашей галактики. Пылевые облака
экранируют видимый свет многих звёзд,поэтому их обнаружение возможно только в инфракрасном спектре.
Проводятся и детальные съёмки объектов Солнечной системы, в том числе Плутона, Титана - спутника Сатурна и тройного астероида MU69 из пояса Койпера, мимо
которого пролетела автоматическая межпланетная станция "Новые Горизонты" (New Horizons).
26 октября 2020 г. в журнале "Нэйчур Астрономи" была опубликована статья о том, что при помощи датчика FORCAST телескоп SOFIA обнаружил водосодержащие минералы
(гидраты) на Луне в умеренных широтах, точнее - на поверхности кратера Клавий (CLavius). До этого, начиная с 1999 г., гидраты находили лишь вблизи полюсов
спутника. Считалось, что солнечное излучение разрушает такие структуры на остальной части лунной поверхности: достаточно сказать, что во время лунного дня
температура поверхности Луны вблизи экватора достигает 120 град.С. Оказалось, однако, что гидраты на поверхности Луны имеются, причём в заметных количествах,
около 40 мг на кв.м. поверхности. Это противоречит текущим представлениям о лунной геохимии. Учёные уже начали выдвигать предположения о механизме образования
таких гидратов: например, при бомбардировке оксидов на поверхности Луны протонами - ядрами атомов водорода, находящимися в солнечном ветре. Так это или нет
-пока неясно, но открытие оказалось неожиданным и ярким. Наблюдения Луны, приведшие к публикации статьи, велись с августа 2018 г.
Планируется, что лаборатория SOFIA проработает ещё как минимум 10 лет, и за это время, наверняка, совершит ещё много интересных открытий.
современная авиация
SOFIA
ЛТХ
Авиация и Космонавтика 2021-02. Юрий Кузьмин. SOFIA
и другие летающие инфракрасные телескопы
Уголок неба. 2021
