发射到国际空间站的原型望远镜

由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员设计和建造的原型望远镜已从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射到国际空间站(ISS)。

该望远镜被称为恒星掩星超时间成像有效载荷(SOHIP)，在万向节上使用LLNL专利单片光学技术来观察和测量大气重力波和湍流。

周二发射的SOHIP仪器一旦登上国际空间站，将作为国防部太空测试计划-休斯顿9平台的一部分进行安装。

一个跨学科的利弗莫尔团队生产了SOHIP仪器，并满足了NASA严格的安全要求，成为NASA国际空间站的第一个实验室。SOHIP也按时交付，预算仅为100万美元。

“我们的目标是设计、开发和交付一对紧凑、耐用的单体望远镜，利用实验室的专利单体技术和现成的部件，需要最少或零在轨测试才能包含在国际空间站上，”皮特说Supsinskas，LLNL空间科学与安全计划的首席空间技术专家。“我们实现了这个目标。”

高超音速飞行器——飞机或导弹——在90公里(km)/56英里的高度以下以五倍音速飞行——在高层大气极端、不可预测的环境中运行，这会影响飞行性能。大气重力波——空气的振荡，在垂直和水平传播时将能量和动量从低层大气传输到高层大气——产生湍流，就像海浪拍打海滩一样。

LLNL物理学家和SOHIP首席研究员马修霍斯利说：“如果高超音速飞行器的边界层沿其飞行路径暴露在大气湍流中，飞行器的气动阻力和热量将显着增加，从而影响飞行器的控制。”“如果我们能够准确预测触发这些不稳定重力波或高超音速流的条件，它可以为更好的车辆设计提供信息，降低成本并提高整体高超音速飞行性能。”

了解气氛

关于高层大气的一个众所周知的数据点是空气的折射率，通过温度和密度来衡量。地球大气层条件的另一个可测量方面是光线如何穿过它——发生光线弯曲，对平均折射率敏感。湍流也会影响光线，使其闪烁。这就是星星在夜空中闪烁的原因。

SOHIP开发团队决定利用这些现象来感知大气温度和密度的变化，并利用空气折射率的波动来检测湍流。

“通过仔细测量射线弯曲和闪烁，我们可以估计产生这些效应的大气特性，”霍斯利说。

SOHIP使用两个连接到万向节组件的单片望远镜。万向架允许望远镜的相机瞄准国际空间站“尾流”中的两颗明亮恒星。“真正的挑战是每台相机都需要以每秒超过1,000帧的帧速率对一颗恒星成像，”SOHIP的飞行软件和运营负责人LanceSimms说。要实现如此高的帧速率，只需读取相机传感器的一个微小子阵列或“窗口”。

“使用万向节跟踪恒星的明显运动并将其保持在该窗口内会引入不可接受的振动。因此，我们开发了专门的固件和算法来保持万向节固定，并让窗口通过传感器跟踪恒星。”

高帧率有助于量化观察到的闪烁，而两个望远镜之间的相对测量允许拒绝平台运动和振动。第一台望远镜视野狭窄，一旦安装在国际空间站上，它将观测一颗明亮的恒星，即“科学”星，因为它的视线穿过地球大气层。

第二台望远镜将拍摄第二颗恒星，即视线远高于大气层的“参考”恒星。SOHIP将测量科学星相对于参考星的相对角度分离，以确定其折射弯曲。科学之星的闪烁也将通过以超过每秒1,000帧的速率记录科学之星的强度来测量。

比鞋盒大不了多少

在国际空间站上，SOHIP重30磅，比鞋盒大不了多少。这个极小的包将以前所未有的高度和精度揭示对大气平均温度、压力和密度以及湍流强度的新见解。

“SOHIP可能会提供优化高超音速飞行器设计和飞行性能的机会。SOHIP从多个角度和恒星设置捕获的有关重力波的数据将为未来的任务提供信息，使我们能够推进算法来预测高层大气条件，”首席工程师大卫帕特里克说对于SOHIP项目。

一项题为“使用多个卫星数据集远程观测重力波”的后续实验室指导研究与开发(LDRD)可行性研究正在研究SOHIP数据是否可以与国际空间站上其他三个仪器的数据相结合，以测量扰动的大气重力波上层大气。

“我们正在研究是否可以将四台国际空间站仪器测量的大气的不同特性结合起来，以观察整个高层大气水平分辨率高达10公里的重力波。表征重力波将使我们能够更好地了解高层大气大气环流的条件和约束模型，”实验室大气、地球和能源物理与生命科学部的博士后研究员DanaMcGuffin说。目前，测量只能观测到水平波长为300公里或更大的重力波。

LLNL的JohnGanino说：“我们着手开发、制造、交付和展示一种经济、可扩展的在轨原型，能够从地面到高达70公里的高度远程观测大气重力波和高空湍流。”空间硬件副项目负责人。

该实验室空间科学与安全项目负责人本·巴尼(BenBahney)表示：“该团队能够在如此紧迫的预算和时间期限内完成技术如此复杂的任务，这一事实证明了其专业知识、协作精神和追求卓越的承诺。”