アリアン5によるジェームス・ウェッブ望遠鏡の打ち上げ:並外れた科学技術ミッション

今週の土曜日、12月25日にアリアン5のロケットがギアナ宇宙センターから打ち上げられる予定です。搭載されるのは、科学界が何十年も待ち望んでいた宇宙望遠鏡と、これまでに宇宙に送られた中で最も高価な衛星です。

クールーの特使より。

ギニアのジャングルの鳥たちは、平然と歌を歌い続けている。しかし、すぐ隣では感動的な光景が繰り広げられているのです。高さ55mのアリアン5ロケットが、堂々とした発射台の上に乗っている。

全体の重量は1,500トンで、ロケットの最終組立棟を出て、発射台に向かっているところです。「時速4kmという非常に速い巡航速度です」と、アリアンスペース社のフランス領ギアナにいるディレクター、ブルーノ・ジェラール氏は微笑む。

しかし、この作業は、宇宙船を打ち上げるたびに行われるルーチンワークである。今回の違いは、ロケットのフェアリングでしっかりと保護された上部にある、ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡です。

欧州宇宙機関(ESA)のアリアン5の責任者であるダニエル・ド・シャンブレ氏は、「私は2000年代初頭にこのプロジェクトに取り組みました」と振り返る。もう何十年も前のプロジェクトである。

1990年、NASAが打ち上げた宇宙望遠鏡ハッブルは、2.4mの強力な鏡とその画像の質の高さで天文学に革命を起こした。しかし、このようなプロジェクトは完成までに時間がかかるため、先見の明が必要とされ、1989年には科学界はすでにフォローアップに着手していたのである。この数年で、後継機がより大きくなり、他のものを見るようになることが明確になりました。

見えないものを見る

ハッブルは、電磁スペクトルの可視部分を観測しています。つまり、私たちの目と同じものを見ることができるのです。その結果、遠くの銀河や星間塵の雲、太陽系の惑星など、素晴らしい写真を撮ることができました。

残念ながら、この範囲では見えない天体が多く、ハッブルはすべての疑問に答えることができなかった。

そこで、私たちの目には見えない赤外線を見ることができる探査機を設計することになったのです。ESAで欧州側の科学マネージャーを務めるピエール・フェリュイ氏は、「この赤外線ビジョンは、私たちがアクセスできないこの色を見ることで成り立っています」と説明する。”130億年以上前に出現した宇宙最初の銀河を観測しに行くには、まさにうってつけの色です。

ジェームズ・ウェッブは、これらの原始銀河以外にも、太陽以外の星を周回する太陽系外惑星をターゲットにする予定です。

これは、望遠鏡が設計された後の1995年まで発見されなかったので、なおさら驚くべきことです。「また、赤外線は大気や組成を調べるのに非常に興味深いものです。水、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン…私たちが興味を持つ分子はすべて赤外線で見ることができます」と、ピエール・フェリュートは続け、ブラックホールの研究にも言及する。

しかし、赤外線には大きな欠点があり、高温になるものはすべてこの波長域で放射される。そのため、望遠鏡を冷やさなければ、望遠鏡の熱で観測ができなくなる。そのため、ウェッブは、機器によっては摂氏-230度から-266度という極低温まで下げなければならない。

そのためには、太陽の熱だけでなく、月や地球の熱からも身を守るシステムを開発する必要があったのです。これが、「アリアン5」でラグランジュポイントL2付近の軌道に投入する理由の一つです。

地球から150万kmの距離にあるこの宇宙空間では、ウェッブは常にこれらの熱源に背を向けることができるのです。背面は巨大な熱シールドになっており、宇宙空間ではテニスコートほどの大きさにまで広がります。

太陽側の気温は+125度前後となります。シールドの反対側では、-235度になります。冷却装置を追加することで、楽器の温度を望ましいレベルまで下げることができます。

エンジニアの悪夢

ジェームス・ウェッブの特徴は赤外線だけではありません。「それ以上に素晴らしい望遠鏡です。つまり、より多くの光を集めることができるようになり、より暗い天体を見ることができるようになるのです。ウェブはハッブルの限界を超えるものです」とピエール・フェリュートは言います。

主鏡の直径は6.5メートルで、ハッブル望遠鏡の約3倍の大きさです。ゴールドコーティングされた18枚の六角形のパネルで構成され、打ち上げ時には3つに折り畳まれた状態で保管され、宇宙では一旦展開されます:これを搭載できる大きさのロケットはありません。

展開する鏡、テニスコートほどの大きさの防熱板、超高感度な機器…これらの要素が、NASAから望遠鏡の開発を依頼されたノースロップ・グラマン社にとって、ジェームズ・ウェッブの建設をエンジニアの悪夢のように思わせたのです。

その結果、ウェッブは納期の遅れとコストの爆発的な上昇という点で、史上最も高価な衛星となった。現在では100億円を超える世界で最も高価な衛星となっています。

12月25日、アリアン5が運ぶべきは、この最上級の物体なのだ。このミッションを遂行するために、アメリカの宇宙機関は非常に早くヨーロッパのロケットを選びました。「シャトル計画が終了した当時、米国には高性能のロケットがなく、スペースX社にもまだその能力はありませんでした」とダニエル・ド・シャンブレは振り返る。「また、アリアン5は、衛星を正確に推進することができる、非常に信頼性の高いロケットです。

異例の発売記念キャンペーン

ウェブは10月12日にクールーのパリアカボ港に到着し、異例の打ち上げキャンペーンを行いました。例えば、ギアナ宇宙センターでは、これまでにない傾向の基準を持つ部屋で衛星を準備する必要がありました。

「NASAは、非常にクリーンな大気を作り出すために、巨大なフィルターを持ってきました」と、アリアンスペース社のプロジェクトマネージャー、ベアトリス・ロメロは説明します。”人為的な汚染 “を避けることが絶対条件だった。オペレーターは全身を覆うスーツを着ていた。目しか見えないし、化粧もできない。香水も禁止されていた。

望遠鏡が正しく機能するためには、このレベルの要求が不可欠です。主鏡に付着したわずかなゴミが、まるでメガネに小さな虫がとまるように、撮影に支障をきたすことがあるのです。

香水にとって、避けなければならないのは、今回の分子汚染である。”香水 “のように、すべての分子が放出されるのです。目に見えないが、望遠鏡のさまざまな部品と化学反応を起こす可能性がある。これは、特定のカバーやラジエーターの熱特性に影響を与える可能性があり、その場合、熱を適切に排出することができなくなります。

また、アリアン5が離陸後にたどる飛行経路についても、いくつかの調整が必要でした。ウェッブは熱を嫌うので、太陽に当てるとダメージを受ける可能性があります。

大気圏を離脱し、フェアリングが切り離されると、上段は振動し始めます。「これは熱ロール、つまり『ノコギリ歯』と呼ばれています」とベアトリス・ロメロは説明します。”太陽に当てられない部分 “があるんです。

そのため、シャドウ側に向くことになります。「しかし、もう片方も長くは晒せません。そこで、バーベキューの串のように回転させて、熱を分散させるんです。このミッションに特化した操縦法です。

ギアナ宇宙センターの木星管制室。サイモン・ロゼ、RFI

これらの作戦はすべて、特別な場所から追いかけることになる。中央に巨大なスクリーンがあり、その前に円形劇場の座席のようにコンピューターが並んでいる。

そのうちの1つの前、真ん中に、DDOというプレートがあります。ジャン・リュック・ヴォイヤーは、木星管制室のオペレーション・ディレクター。打ち上げのコーディネートを担当し、打ち上げの10時間あまり前に席に着く予定です。DDOは、打ち上げに関するすべての情報の窓口となります。

発射台に設置されたロケットが良好な状態で地上と通信していること、フェアリングの下にある衛星も同じ基準であること、レーダー追跡局が稼働していること、最後に天候が打ち上げに適していること、などすべてのシステムが良好であることを確認しなければならない。

「マイナス10分後に最終的な天候の説明がある」とジャン・リュック・ヴォイヤーは説明する。順調にいけば、7分後に「最終打ち上げシーケンス開始」のアナウンスがあります。このとき、アリアン5は「生きている」とみなされます。

特に注文がなければ、自動的に飛行プログラムを適用し、T-0で離陸する。「最後のカウントダウンで、最後の15秒は誰もが感動すると思います。ウェッブがヨーロッパの宇宙港であるギアナ宇宙センターから飛び立つまでの最後の数秒間”。

宇宙への道

カウントダウンが0になると、アリアンファイブはメインステージのバルカンエンジンに点火する。ランチャーは7秒間接地したまま、ランプアップします。このとき、2本のブースターが発射され、それぞれ240トンの火薬が点火される。その後、アリアンは上昇を開始します。

その2分21秒後にブースターが空になり、切り離される。3時26分、フェアリングが切り離され、熱ロール操縦が開始されます。ウェブとアリアンは、宇宙との境界を示すカルマン線よりも高い、高度110キロメートルの地点にいることになるのです。

メインステージは8:47まで押し続けます。200トン近い極低温燃料が枯渇し、順次投棄される予定です。

その後、第2段に引き継がれ、リフトオフから27分7秒後まで望遠鏡を推進し続ける。James-Webbはその地点で切り離され、アリアン5の勢いを利用して150万km離れたラグランジュL2点まで飛行します。

望遠鏡が目的地に到着するまでには、29日間を要します。この旅では、望遠鏡は多くの重要なステップに対応しなければなりません。アリアン5で放出されると同時に、太陽電池パネルを展開し、発電を開始する必要があります。

その後、熱シールド、副鏡、主鏡の順に展開する必要があります。これらのフェーズはすべて、ミッションの成功に不可欠なものですが、異常に複雑なのです。

これが終わると、いよいよ冷却に入る。その後、数ヶ月に渡って、打ち上げ時の衝撃に耐えられるかどうか、1つ1つ機器のスイッチを入れてテストする段階が続く予定です。

その後、最初の校正観測が行われ、半年後には最初の画像が私たちの手元に届く予定です。ジェームス・ウェッブは最悪の場合、少なくとも5年間は稼働するように設計されていますが、地域社会は少なくとも10年間はその成果を受け取ることを期待しています。

 

https://www.rfi.fr/fr/science/20211224-lancement-du-télescope-james-webb-par-ariane-5-une-mission-scientifique-et-technique-hors-normes

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