واقي الشمس لتلسكوب جيمس ويب الفضائي

يُعدّ واقي الشمس لتلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) نظامًا سلبيًا للتحكم الحراري، يُنشر بعد الإطلاق لحماية التلسكوب وأجهزته من ضوء وحرارة الشمس والأرض والقمر . وبإبقاء التلسكوب والأجهزة في ظل دائم، يسمح هذا النظام بتبريدها إلى درجة حرارتها التصميمية البالغة 40 كلفن (-233 درجة مئوية ؛ -388 درجة فهرنهايت) . وقد اكتمل نشره المعقد بنجاح في 4 يناير 2022، بعد عشرة أيام من الإطلاق، عندما كان على بُعد أكثر من 0.8 مليون كيلومتر (500,000 ميل) من الأرض. ^{[ 1 ] [ 2 ]}    

يبلغ حجم واقي الشمس لتلسكوب جيمس ويب الفضائي حوالي 21 مترًا × 14 مترًا (69 قدمًا × 46 قدمًا) ، أي ما يعادل تقريبًا حجم ملعب تنس، وهو كبير جدًا بحيث لا يمكن وضعه في أي صاروخ موجود. لذلك، تم طيه ليناسب غطاء الصاروخ الحامل، وتم نشره بعد الإطلاق، حيث انفرد بخمس طبقات من البلاستيك المطلي بالمعدن. الطبقة الأولى هي الأكبر، وتتناقص مساحة كل طبقة لاحقة. كل طبقة مصنوعة من غشاء رقيق من الكابتون (50 ميكرون للطبقة الأولى، و25 ميكرون للطبقات الأخرى) مطلي بالألومنيوم لزيادة انعكاسه. تحتوي الطبقات الخارجية المواجهة للشمس على طبقة من السيليكون المُطعّم ، مما يمنحها لونًا أرجوانيًا، ويُقوّي الواقي، ويساعده على عكس الحرارة. ^{[ 3 ]} يبلغ سمك طبقة الألومنيوم حوالي 100 نانومتر، بينما طبقة السيليكون أرقّ، حيث يبلغ سمكها حوالي 50 نانومتر. ^{[ 4 ]} يشمل جزء واقي الشمس الطبقات وآليات نشرها، والتي تتضمن أيضًا غطاء الضبط. ^{[ 5 ] [ 6 ]}      

لإجراء عمليات رصد في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة، يجب الحفاظ على تلسكوب جيمس ويب الفضائي باردًا جدًا (أقل من 50 كلفن (-223 درجة مئوية؛ -370 درجة فهرنهايت) ، وبعض أجزائه أقل من 40 كلفن)، ^{[ 7 ]} وإلا فإن الإشعاع تحت الأحمر المنبعث من التلسكوب نفسه سيؤثر سلبًا على أجهزته. ولذلك، يستخدم التلسكوب درعًا شمسيًا كبيرًا لحجب الضوء والحرارة من الشمس والأرض والقمر، كما أن موقعه بالقرب من نقطة لاغرانج L2 _بين الشمس والأرض يُبقي الأجرام الثلاثة على نفس جانب المركبة الفضائية في جميع الأوقات. ^{[ 8 ]} ويتجنب مداره الهالي حول L2 _ظل الأرض والقمر، مما يحافظ على بيئة ثابتة للدرع الشمسي والألواح الشمسية. ^{[ 9 ]}   

الأشعة تحت الحمراء هي إشعاع حراري. ولرؤية التوهج الخافت للأشعة تحت الحمراء المنبعثة من النجوم والمجرات البعيدة، يجب أن يكون التلسكوب باردًا جدًا. فلو سخّن ضوء الشمس أو حرارة الأرض التلسكوب، لكانت الأشعة تحت الحمراء المنبعثة منه ستطغى على الأهداف، ولن يتمكن من الرؤية.

يعمل واقي الشمس كمظلة كبيرة تسمح بتبريد المرآة الرئيسية والبصريات والأجهزة بشكل سلبي إلى 40 كلفن (-233 درجة مئوية؛ -388 درجة فهرنهايت) أو أقل، ^{[ 6 ]} وهو أحد التقنيات الأساسية التي ستُمكّن تلسكوب جيمس ويب الفضائي من العمل. ^{[ 11 ]} يبلغ حجم واقي الشمس ذي الشكل المُسطّح حوالي 21 × 14 مترًا (69 × 46 قدمًا) ، ^{[ 12 ]} وهو كبير بما يكفي لتظليل المرآة الرئيسية والمرآة الثانوية ، تاركًا جهازًا واحدًا فقط، وهو جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) ، بحاجة إلى تبريد إضافي. ^{[ 6 ]} يعمل واقي الشمس كمشعّ ذي أخدود على شكل حرف V ، ويتسبب في انخفاض درجة الحرارة بمقدار 318 كلفن ( 318 درجة مئوية، 604 درجة فهرنهايت ) ^{[ 13 ]} من الأمام إلى الخلف. ^{[ 12 ]} أثناء التشغيل، سيتلقى الدرع حوالي 200 كيلوواط من الإشعاع الشمسي، لكنه سينقل 23 ميلي واط فقط إلى الجانب الآخر. ^{[ 14 ] [ 12 ]}        

يتكون واقي الشمس من خمس طبقات للحد من انتقال الحرارة. ^{[ 6 ]} هذه الطبقات مصنوعة من غشاء البوليميد كابتون إي ، وهو غشاء مستقر في درجات حرارة تتراوح بين -269 و400 درجة مئوية (-450 إلى 750 درجة فهرنهايت) . ^{[ 3 ] [ 6 ]} مع ذلك، فإن هذه الأغشية الرقيقة حساسة للغاية، وقد كانت التمزقات العرضية التي حدثت أثناء الاختبارات في عام 2018 من بين العوامل التي أخرت مشروع تلسكوب جيمس ويب الفضائي، ^{[ 15 ]} ومن المعروف أن الكابتون يتحلل بعد تعرضه لفترات طويلة لظروف الأرض. ^{[ 16 ]} يبلغ سمك الطبقة المواجهة للشمس 0.05 مم (0.002 بوصة) ، بينما يبلغ سمك الطبقات الأخرى 0.025 مم (0.001 بوصة) . ^{[ 3 ]} جميع الطبقات مطلية من كلا الجانبين بطبقة من الألومنيوم بسمك 100 نانومتر ، كما أن الجانبين المواجهين للشمس من الطبقتين الخارجيتين مطليان أيضًا بطبقة من السيليكون بسمك 50 نانومتر " مطعّمة " بعناصر أخرى. ^{[ 6 ] [ 3 ]} يساعد هذا المادة على البقاء في الفضاء، وإشعاع الحرارة الزائدة، وتوصيل الكهرباء، بحيث لا تتراكم الشحنة الساكنة على الطبقات. ^{[ 6 ]}      

لكل طبقة شكل وحجم مختلفان قليلاً. ^{[ 6 ]} الطبقة 5 هي الأقرب إلى المرآة الرئيسية وهي الأصغر حجماً. أما الطبقة 1 فهي الأقرب إلى الشمس وهي أكبر حجماً وأكثر تسطحاً. ^{[ 6 ]} تحجب الطبقة الأولى 90% من الحرارة، وتحجب كل طبقة لاحقة كمية أكبر من الحرارة التي تنعكس إلى الخارج. ^{[ 6 ] [ 17 ]} يسمح واقي الشمس للبصريات بالبقاء في الظل لزوايا ميل تتراوح من +5° إلى -45° وزوايا دوران تتراوح من +5° إلى -5°. ^{[ 11 ]} صُممت الطبقات بتقنية الربط الحراري الموضعي (TSB)، حيث يتم ربط نمط شبكي بكل طبقة على فترات منتظمة. ^{[ 6 ]} يساعد هذا على منع اتساع حجم أي تمزق أو ثقب في حال حدوثه. ^{[ 6 ]}

صممت شركة نورثروب غرومان واقي الشمس لوكالة ناسا. ^{[ 18 ]} صُمم واقي الشمس بحيث يُطوى اثنتي عشرة مرة ليناسب غطاء صاروخ أريان 5 الذي يبلغ قطره 4.57 متر (15.0 قدم) وطوله 16.19 متر (53.1 قدم) . عند فتحه عند نقطة الإطلاق الثانية (L2)، امتدت أبعاده إلى 21.197 متر × 14.162 متر (69.54 قدم × 46.46 قدم) . جُمع واقي الشمس يدويًا في شركة مانتك (نيكسولف) في هانتسفيل، ألاباما ، قبل تسليمه إلى نورثروب غرومان في ريدوندو بيتش، كاليفورنيا ، لإجراء الاختبارات. ^{[ 19 ]} أثناء الإطلاق، لُفّ حول عنصر التلسكوب البصري ثم فُتح لاحقًا. ^{[ 12 ]} كان من المقرر فتح واقي الشمس بعد حوالي أسبوع من الإطلاق. ^{[ 20 ]} أثناء عملية التطوير، تم اختبار مادة طبقة الحماية من الشمس باستخدام الحرارة والبرودة والإشعاع والصدمات الدقيقة عالية السرعة. ^{[ 10 ]}          

تشمل مكونات واقي الشمس ما يلي: ^{[ 21 ]}

• جوهر
• وصلة رباعية القضبان أمامية وخلفية
• تجميع الهيكل الخلفي
  • لسان ضبط الزخم (اللسان متصل بمجموعة الهيكل الخلفي)
  • قضبان التوزيع الخلفية (توزع الطبقات في الخلف)
• تجميع الهيكل الأمامي
  • قضبان التوزيع الأمامية
• مكبرات صوت متوسطة المدى (واحدة على كل جانب)
  • قضبان التوزيع الوسطى (توزع الطبقات الخمس على بعضها البعض)
• مجموعتان من أقفال الإطلاق ثنائية الأرجل الأمامية ومجموعتان خلفيتان

تُعدّ مجموعات قفل الإطلاق ثنائية الأرجل هي نقاط اتصال جزء واقي الشمس بوحدة OTE عند طيها أثناء الإطلاق. ^{[ 21 ]} يوجد ستة قضبان فاصلة تتمدد لفصل طبقات واقي الشمس، الذي يتكون من ستة جوانب تقريبًا. ^{[ 21 ]}

غطاء الضبط/لسان ضبط الزخم

يشتمل جزء الدرع الشمسي أيضًا على رفرف ضبط في نهاية ذراع نشر الدرع الشمسي. ^{[ 5 ]} يُسمى هذا الرفرف أيضًا برفرف ضبط الزخم. ^{[ 21 ]} يساعد رفرف الضبط على موازنة الضغط الشمسي الناتج عن اصطدام الفوتونات بالدرع الشمسي. إذا كان هذا الضغط غير متساوٍ، فستميل المركبة الفضائية إلى الدوران، مما يتطلب من عجلات رد الفعل (الموجودة في هيكل المركبة الفضائية ) تصحيح اتجاه تلسكوب جيمس ويب الفضائي والحفاظ عليه في الفضاء. بدورها، ستتشبع عجلات رد الفعل في النهاية وتحتاج إلى وقود لإزالة التشبع، مما قد يحد من عمر المركبة الفضائية. يساهم رفرف الضبط، من خلال المساعدة في الحفاظ على توازن الضغط وبالتالي الحد من استهلاك الوقود، في إطالة عمر التلسكوب. ^{[ 5 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

الطبقات

صُممت الطبقات بحيث تُسلط الشمس والأرض والقمر على الطبقة الأولى بشكل شبه كامل، وأحيانًا على جزء ضئيل من الطبقة الثانية، بينما لا ترى عناصر التلسكوب من الجانب الآخر سوى الطبقة الخامسة، وأحيانًا كمية ضئيلة من الطبقة الرابعة. ^{[ 21 ]} ويمنع الفصل بين الطبقات، في فراغ الفضاء، انتقال الحرارة بالتوصيل، ويساعد على تبديدها بالإشعاع. ^{[ 24 ]} ويُعزى اللون الأرجواني إلى تطعيم المادة بالسيليكون. ^{[ 24 ]}

يُثبَّت مُكوِّن الدرع الشمسي بالمركبة الفضائية الرئيسية، وتتمدد أذرعه للخارج لتوزيع الدرع الحراري وفصل طبقاته. ^{[ 25 ]} أثناء الإطلاق، يُطوى الدرع؛ ولاحقًا، عندما يكون في الفضاء، يُفرَد بعناية. ^{[ 25 ]} عندما يُفرَد الدرع الشمسي بالكامل، يبلغ عرضه 14.6 مترًا (48 قدمًا) وطوله 21.1 مترًا (69 قدمًا) . ^{[ 21 ]} عندما تُفرَد الطبقات بالكامل، تكون مفتوحة على نطاق أوسع عند الحواف مما يساعد على عكس الحرارة إلى الخارج. ^{[ 21 ]}  

تشمل هياكل/أجهزة نشر واقي الشمس ما يلي: ^{[ 24 ]}

• أذرع تلسكوبية
  • أدوات نشر السيقان
• قضبان التوزيع
• محركات الكابلات

يوجد محركان كهربائيان خاصان داخل ذراعي الرافعة التلسكوبية. ^{[ 24 ]} وهما محركان كهربائيان خاصان، عند تشغيلهما، يقومان بتمديد ذراع الرافعة التلسكوبية، وسحب واقي الشمس المطوي. ^{[ 24 ]} تُسمى أذرع الرافعة التلسكوبية بوحدات MBA، أو وحدات منتصف ذراع الرافعة. ^{[ 21 ]} يوجد في نهاية كل وحدة MBA قضيب توزيع.

بعد الإطلاق الناجح في 25 ديسمبر 2021 من مركز غويانا الفضائي ، تم نشر واقي الشمس الخاص بتلسكوب جيمس ويب الفضائي بعد الإطلاق على النحو التالي.

في 31 ديسمبر/كانون الأول 2021، بدأ الفريق الأرضي في معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور، بولاية ماريلاند، بنشر ذراعي التثبيت التلسكوبيتين من الجانبين الأيمن والأيسر للمرصد، ساحبًا أغشية الحماية الشمسية الخمسة من أماكن تخزينها المطوية في المنصات الأمامية والخلفية، والتي تم إنزالها قبل ثلاثة أيام. ^{[ 26 ]} تأخر نشر ذراع التثبيت الأيسر (بالنسبة لاتجاه توجيه المرآة الرئيسية) عندما لم يتلقَ مركز التحكم بالمهمة تأكيدًا مبدئيًا على أن غطاء الحماية الشمسية قد تم لفه بالكامل. بعد مراجعة بيانات إضافية للتأكيد، شرع الفريق في مدّ ذراعي التثبيت. ^{[ 27 ]} تم نشر الجانب الأيسر في 3 ساعات و19 دقيقة، بينما استغرق الجانب الأيمن 3 ساعات و42 دقيقة. ^{[ 27 ] [ 26 ]} مع هذه الخطوة، أصبح غطاء الحماية الشمسية لتلسكوب جيمس ويب الفضائي مكتملًا على شكل طائرة ورقية، وامتد إلى عرضه الكامل البالغ 47 قدمًا. وكان من المقرر إصدار أوامر لاحقة لفصل الأغشية وشدّها. ^{[ 26 ]}

بعد أخذ إجازة في يوم رأس السنة، أرجأ الفريق الأرضي عملية شدّ واقي الشمس ليوم واحد لإتاحة الوقت لتحسين إنتاج الطاقة من مجموعة الألواح الشمسية للمرصد، ولتعديل اتجاه المرصد لتبريد محركات نشر واقي الشمس التي كانت أكثر سخونة بقليل من المتوقع. ^{[ 28 ]} بدأ شدّ الطبقة الأولى، الأقرب إلى الشمس والأكبر من بين الطبقات الخمس في واقي الشمس، في 3 يناير 2022، واكتمل في الساعة 3:48  مساءً بتوقيت شرق الولايات المتحدة. ^{[ 29 ]} بدأ شدّ الطبقتين الثانية والثالثة في الساعة 4:09  مساءً بتوقيت شرق الولايات المتحدة، واستغرق ساعتين و25 دقيقة. ^{[ 30 ]} في 4 يناير 2022، نجح المتحكمون في شدّ الطبقتين الأخيرتين، الرابعة والخامسة، مُكملين بذلك مهمة نشر واقي الشمس لتلسكوب جيمس ويب الفضائي في الساعة 11:59  صباحًا بتوقيت شرق الولايات المتحدة. ^{[ 31 ]}

• في عام 2007 أو قبل ذلك، تم تحقيق مستوى جاهزية التكنولوجيا (TRL) 6 لغشاء واقي الشمس. ^{[ 11 ]}
• 11 سبتمبر 2016، تم الانتهاء من الطبقة الأولى من واقي الشمس. ^{[ 13 ]}
• في الثاني من نوفمبر 2016، تم الانتهاء من الطبقة الخامسة والأخيرة. ^{[ 32 ]}
• في 27 مارس 2018، أعلنت وكالة ناسا عن وجود تمزقات في واقي الشمس، مما ساهم في تأخير عمليات الإطلاق. ^{[ 33 ]}
• 25 ديسمبر 2021، الإطلاق الناجح لتلسكوب جيمس ويب الفضائي من مركز غيانا الفضائي . ^{[ 34 ]}
• 31 ديسمبر 2021، النشر الأولي للأذرع التلسكوبية لدعم ونشر واقي الشمس. ^{[ 35 ]}
• 3 يناير 2022، الشد الأولي وفصل الطبقات الثلاث الأولى من واقي الشمس. ^{[ 36 ]}
• في الرابع من يناير 2022، اكتملت عملية شد/فصل الطبقات الخمس ونشر الدرع الشمسي لتلسكوب جيمس ويب الفضائي بنجاح، بعد عشرة أيام من الإطلاق وعلى بعد أكثر من 0.8 مليون كيلومتر (500,000 ميل) من الأرض. ^{[ 1 ] [ 36 ] [ 35 ]}  

• واقي حراري
• العزل
• مهمة العوالم الجديدة (تحجب ضوء الشمس أيضاً، ولكن لمراقبة الكواكب الخارجية التي يحجبها نجمها الأم الساطع)
• سكايلاب (استخدمت أيضًا واقيًا شمسيًا من القماش/الطبقات القابلة للتمدد في السبعينيات)
• التحكم الحراري للمركبة الفضائية
• الجدول الزمني لتلسكوب جيمس ويب الفضائي

• هندسة قسم من تلسكوب جيمس ويب الفضائي: الدرع الشمسي لتلسكوب جيمس ويب الفضائي