Ein Teleskop-Prototyp, der von Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entworfen und gebaut wurde, wurde von Cape Canaveral, Florida, zur Internationalen Raumstation (ISS) gestartet.
Das als Stellar Occultation Hypertemporal Imaging Payload (SOHIP) bekannte Teleskop verwendet die von LLNL patentierte monolithische Optiktechnologie auf einem Kardanring, um atmosphärische Schwerewellen und Turbulenzen zu beobachten und zu messen.
Das am Dienstag gestartete SOHIP-Instrument wird als Teil der Plattform Houston 9 des Weltraumtestprogramms des Verteidigungsministeriums installiert, sobald es sich an Bord der ISS befindet.
Ein interdisziplinäres Livermore-Team produzierte das SOHIP-Instrument und erfüllte die strengen Sicherheitsanforderungen der NASA für die Aufnahme auf der ISS der NASA, einem ersten Labor. SOHIP wurde ebenfalls pünktlich und mit einem knappen Budget von nur 1 Million US-Dollar geliefert.
„Unser Ziel war es, ein Paar kompakter, langlebiger Einzelteleskope zu entwerfen, zu entwickeln und zu liefern, die die patentierte Monolith-Technologie des Labors und handelsübliche Teile nutzen, die nur minimale oder gar keine Tests im Orbit erfordern, um auf der ISS aufgenommen zu werden“, sagte Pete Supsinskas, Chef-Weltraumtechnologe des LLNL Space Science and Security Program. „Und wir haben dieses Ziel erreicht.“
Hyperschallfahrzeuge – Flugzeuge oder Raketen – die mit fünffacher Schallgeschwindigkeit unterhalb von 90 Kilometern (km)/56 Meilen fliegen – operieren in der extremen, unvorhersehbaren Umgebung der oberen Atmosphäre, was die Flugleistung beeinträchtigen kann. Atmosphärische Schwerewellen – Schwingungen der Luft, die Energie und Impuls von der unteren in die obere Atmosphäre transportieren, während sie sich vertikal und horizontal ausbreiten – erzeugen Turbulenzen wie Meereswellen, die auf einen Strand prallen.
„Wenn die Grenzschicht eines Hyperschallfahrzeugs entlang seiner Flugbahn atmosphärischen Turbulenzen ausgesetzt ist, nehmen der Luftwiderstand und die Hitze des Fahrzeugs erheblich zu, was die Kontrolle über das Fahrzeug beeinträchtigt“, sagte Matthew Horsley, LLNL-Physiker und SOHIP-Hauptforscher. „Wenn wir die Bedingungen genau vorhersagen könnten, die diese unregelmäßigen Gravitationswellen oder Hyperschallströmungen auslösen, könnte dies zu einem besseren Fahrzeugdesign führen, Kosten senken und die allgemeine Hyperschallflugleistung verbessern.“
Atmosphäre verstehen
Ein bekannter Datenpunkt über die obere Atmosphäre ist der Brechungsindex der Luft, gemessen an Temperatur und Dichte. Ein weiterer messbarer Aspekt der Bedingungen in der Erdatmosphäre ist, wie Licht sie durchdringt – Strahlkrümmung tritt auf, abhängig vom mittleren Brechungsindex. Turbulenzen wirken sich auch auf das Licht aus und lassen es funkeln. Das ist der Grund, warum Sterne am Nachthimmel zu funkeln scheinen.
Das SOHIP-Entwicklungsteam beschloss, diese Phänomene auszunutzen, um Änderungen der atmosphärischen Temperatur und Dichte zu erfassen und Schwankungen der Luftbrechung zu nutzen, um Turbulenzen zu erkennen.
„Durch sorgfältiges Messen von Strahlkrümmung und Szintillation können wir die Eigenschaften der Atmosphäre abschätzen, die diese Effekte erzeugt hat“, sagte Horsley.
SOHIP verwendet zwei monolithische Teleskope, die an einer kardanischen Anordnung befestigt sind. Der Gimbal ermöglicht es den Kameras der Teleskope, zwei helle Sterne im „Spur“ der ISS anzuvisieren. „Die eigentliche Herausforderung besteht darin, dass jede Kamera einen Stern mit Bildraten von über 1.000 Bildern pro Sekunde abbilden muss“, sagte Lance Simms, Flugsoftware und Betriebsleiter von SOHIP. Um solch hohe Bildraten zu erreichen, muss nur ein winziges Subarray oder „Fenster“ des Kamerasensors gelesen werden.
„Die scheinbare Bewegung eines Sterns zu verfolgen und ihn mit dem Gimbal innerhalb dieses Fensters zu halten, würde zu inakzeptablen Vibrationen führen. Also haben wir spezielle Firmware und Algorithmen entwickelt, um den Gimbal fixiert zu halten und stattdessen das Fenster den Stern über den Sensor verfolgen zu lassen.“
Die hohe Bildrate erleichtert die Quantifizierung der beobachteten Szintillation, während die relativen Messungen zwischen den beiden Teleskopen die Unterdrückung von Plattformbewegung und -vibration ermöglichen. Das erste Teleskop hat ein schmales Sichtfeld und wird, sobald es auf der ISS installiert ist, einen einzelnen hellen Stern, den „Wissenschaftsstern“, beobachten, während seine Sichtlinie durch die Erdatmosphäre wandert.
Das zweite Teleskop wird einen zweiten Stern abbilden, den „Referenz“-Stern mit einer Sichtlinie weit über der Atmosphäre. SOHIP wird den relativen Winkelabstand des Wissenschaftssterns relativ zum Referenzstern messen, um seine brechende Biegung zu bestimmen. Die Szintillation des Wissenschaftssterns wird gemessen, indem auch die Intensität des Wissenschaftssterns mit Raten von über 1.000 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet wird.
Nicht viel größer als ein Schuhkarton
An Bord der ISS wiegt SOHIP 30 Pfund und ist nicht viel größer als ein Schuhkarton. Dieses extrem kleine Paket wird neue Einblicke in atmosphärische Durchschnittstemperatur, Druck und Dichte sowie Turbulenzstärke in beispielloser Höhe und Genauigkeit liefern.
„SOHIP kann Möglichkeiten bieten, das Design und die Flugleistung von Hyperschallfahrzeugen zu optimieren. Die Daten, die SOHIP über Schwerewellen aus mehreren Winkeln und Sterneneinstellungen erfasst, werden zukünftige Missionen informieren und es uns ermöglichen, Algorithmen zur Vorhersage der oberen atmosphärischen Bedingungen zu verbessern“, sagte David Patrick, Chefingenieur für das SOHIP-Projekt.
Eine anschließende Machbarkeitsstudie von Laboratory Directed Research and Development (LDRD) mit dem Titel „Remote Observation of Gravity Waves with Multiple Satellite Datasets“ untersucht, ob SOHIP-Daten mit Daten von drei anderen Instrumenten auf der ISS kombiniert werden können, um störende atmosphärische Schwerewellen zu messen die obere Atmosphäre.
„Wir untersuchen, ob die unterschiedlichen Eigenschaften der Atmosphäre, die von den vier ISS-Instrumenten gemessen werden, kombiniert werden können, um Schwerewellen mit einer horizontalen Auflösung von bis zu 10 Kilometern in der gesamten oberen Atmosphäre zu beobachten. Die Charakterisierung der Schwerewellen wird es uns ermöglichen, die obere Atmosphäre besser zu verstehen Bedingungen und schränken Modelle der atmosphärischen Zirkulation ein“, sagt Dana McGuffin, Postdoktorandin in der Abteilung für Physikalische und Biowissenschaften des Labors für Atmosphäre, Erde und Energie. Derzeit können Messungen nur Schwerewellen mit horizontalen Wellenlängen von 300 Kilometern oder mehr beobachten.
„Wir wollten einen wirtschaftlichen, skalierbaren Orbit-Prototypen entwickeln, herstellen, liefern und demonstrieren, der in der Lage ist, atmosphärische Schwerewellen und Turbulenzen in großer Höhe vom Boden bis zu Höhen von bis zu 70 Kilometern aus der Ferne zu beobachten“, sagte John Ganino, LLNL stellvertretender Programmleiter für Weltraumhardware.
„Die Tatsache, dass dieses Team mit einem so knappen Budget und Zeitrahmen etwas technisch so Komplexes leisten konnte, ist ein Beweis für sein Fachwissen, seinen kooperativen Geist und sein Streben nach Exzellenz“, sagte Ben Bahney, Programmleiter für das Weltraumwissenschafts- und Sicherheitsprogramm des Labors.