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Perché l'Hubble è diverso da qualsiasi altro satellite nella storia
In questo estratto dal suo libro Impronte di mani su Hubble: la storia dell'invenzione di un astronauta , la prima donna americana a camminare nello spazio racconta com'era far parte del team che ha progettato e lanciato il telescopio spaziale. 19 novembre 2019
Impronte di mani sulla copertina del libro di Hubble MIT stampa
Si potrebbe dire che siamo cresciuti insieme, Hubble e io. La maggior parte delle persone fa risalire l'inizio di Hubble a un rapporto scritto nel 1946 dall'astronomo di Princeton Lyman Spitzer. Sono nato a Paterson, nel New Jersey, il 3 ottobre 1951. Mentre crescevo durante la mia infanzia e adolescenza, Hubble languiva in uno stato di arresto dello sviluppo, mentre le tecnologie della nuova era spaziale maturavano abbastanza da portare la visione di Spitzer nel regno del possibile. Per una deliziosa coincidenza, noi due iniziammo l'ultimo tratto dei nostri viaggi nello spazio quasi nello stesso momento, con la mia selezione di astronauti e l'approvazione del Congresso di Hubble avvenute entrambe nel 1978.
Hubble è un fantastico pezzo di ingegneria. Ciò che rende Hubble radicalmente diverso da qualsiasi cosa costruita prima o dopo è che è stato progettato per essere manutenibile da due persone in ingombranti tute spaziali mentre orbitavano centinaia di miglia sopra la Terra. È come lavorare sulla tua auto mentre indossi una tuta gonfiabile da lottatore di sumo e guanti da boxe, con la svolta aggiuntiva che i tuoi strumenti volano via se li lasci andare.
I principi per un design manutenibile sono semplici, familiari a chiunque abbia mai fatto il minimo di riparazioni in casa o in auto: le cose sono più facili da riparare quando la disposizione delle parti è semplice e ordinata, nessuna unità sana deve essere disturbata per ottenere nell'unità guasta, i dispositivi di fissaggio e i connettori sono standardizzati e sono necessari pochi strumenti unici. Come hanno fatto un gruppo di persone che non erano mai state in orbita o non avevano indossato una tuta spaziale a capire cosa significasse manutenibile in un ambiente di microgravità e poi incorporare tutto ciò nel design del telescopio?
Due innovazioni forniscono buoni esempi del lavoro inventivo ed esigente svolto durante le prime fasi della progettazione di Hubble. La difficoltà di manutenzione di Hubble ha premiato molto la semplificazione delle interfacce degli strumenti per l'efficienza e la riduzione del sovraccarico associato alla preparazione per il lavoro.
Il designer Henry Ford (nessuna relazione con la famiglia automobilistica) ha deciso di affrontare il primo di questi limitando la varietà di elementi di fissaggio utilizzati sul telescopio. Partì alla ricerca del bullone più piccolo possibile che avesse l'elevata resistenza alla trazione necessaria e una coppia di strappo ragionevole. In parole povere, ciò significa un bullone abbastanza forte da resistere a quelle che pensava sarebbero state le forze durante il lancio di una navetta (la navetta era ancora sul tavolo da disegno, quindi non c'erano dati certi), ma non troppo difficile da allentare con una chiave inglese . Stabilindosi su un particolare bullone ad alta resistenza con una testa esagonale da 7/16 di pollice a doppia altezza, Ford iniziò la sua ricerca con il team di installazione dell'elettronica. Il lavoro di questa squadra è sempre stato quello di assicurarsi che nessuna scatola elettronica si allenti mai dai suoi supporti; la rimozione dei bulloni in orbita non era mai stata loro venuta in mente. Dopo diversi cicli di discussioni e analisi, hanno deciso di utilizzare il bullone scelto su tutte le loro unità. Successivamente, Ford è andato al team dei meccanismi, responsabile di cose come il pannello solare e i cardini e i fermi dell'antenna, e infine il team degli strumenti scientifici. Al termine, aveva raccolto i dati ingegneristici necessari per dimostrare che il bullone era adatto a ogni applicazione e aveva l'impegno di utilizzarlo dall'ingegnere capo di ogni sistema. La NASA in seguito lo avrebbe reso il bullone standard sulla navetta e sulla stazione spaziale per tutto ciò che potrebbe essere riparato in una passeggiata spaziale o EVA [attività extraveicolare].
L'invenzione di Tom Fisher ha preso di mira il momento coinvolto nella preparazione del cantiere. Conosceva i 38 cantieri EVA sul telescopio meglio di chiunque altro, avendo realizzato a mano i disegni tecnici precisi e dettagliati di ogni luogo e le posizioni del corpo che avrebbero consentito agli astronauti adatti di raggiungere e far funzionare tutti gli impianti di manutenzione. Fisher ha visto la necessità di una piattaforma di lavoro portatile in EVA, nota come poggiapiedi, che fosse più versatile di quella semplice prevista dalla NASA.
Un poggiapiedi portatile è per gli astronauti ciò che la gravità è per i meccanici legati alla terra: la cosa che consente loro di ancorare i piedi in modo che possano esercitare una leva o applicare forza ai loro strumenti. Prova a girare un fulmine nella microgravità dello spazio senza un poggiapiedi e scoprirai che il tuo corpo fluttuante si gira invece. I primi poggiapiedi erano fondamentalmente piastre su pali. Sono stati progettati per sporgere direttamente dalla struttura a cui erano fissati. La pedana può inclinarsi solo su un asse e non può essere regolata durante l'uso. Fisher ha avuto l'idea di aggiungere pedali alla pedana in modo che gli astronauti potessero ruotare i loro corpi con il tocco di uno stivale. Perfezioniremmo il concetto iniziale di Fisher attraverso una serie di test di galleggiamento neutro a partire dal 1985, producendo infine un dispositivo altamente versatile che ha volato su ogni missione Hubble ed è ora in uso a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
Per i primi due minuti e 15 secondi, la corsa è stata turbolenta e rumorosa, come trovarsi in una combinazione selvaggia di terremoto, concerto rock e jet da combattimento. Le vibrazioni erano quasi da far tremare le ossa; la spinta che spinge verso l'alto attraverso la mia schiena forte e costante. Ho sentito la spinta diminuire, ho sentito Charlie riferire che i razzi solidi stavano bruciando come previsto, e poi ho sentito il tonfo che ha annunciato il loro abbandono. Ora il viaggio sembrava tranquillo e fluido come un treno elettrico. Quando i motori si sono spenti sei minuti dopo, la leggerezza delle mie membra e le liste di controllo che galleggiavano alla fine dei loro legami hanno confermato che ero di nuovo in orbita. Mi sono sentito subito a casa.
La leggerezza delle mie membra e le liste di controllo che fluttuavano alla fine dei loro legami confermavano che ero tornato in orbita, ero tornato in orbita. Mi sono sentito subito a casa.
Abbiamo concluso il nostro primo giorno in orbita di buon umore. Il braccio robotico funzionava bene, il telescopio non mostrava alcun segno di danneggiamento a causa delle dure forze di lancio e le nostre tute spaziali erano perfettamente funzionanti.
La giornata di distribuzione di Hubble per noi è iniziata con una melodia del risveglio completamente dimenticabile e le attività di routine dell'inizio della giornata: vestirsi, fare colazione, rivedere il pacchetto di messaggi del mattino, aggiornare i dati di navigazione della navetta e assicurarsi che tutti i nostri gli esperimenti del middeck stavano funzionando correttamente. Il piano di dispiegamento accuratamente elaborato iniziò a logorarsi non appena Steve iniziò a sollevare il telescopio fuori dalla stiva. Il piano di gioco per dispiegare le appendici del telescopio, come venivano chiamati i pannelli solari e le antenne, iniziò a svelarsi in seguito. Quasi ogni fase di questo piano ha rivelato che il team di controllo a terra del Centro di controllo delle operazioni del telescopio spaziale non aveva pienamente apprezzato la complessità dei sistemi di Hubble e stava lottando per affrontare il ritmo e lo stress delle operazioni di volo spaziale nel mondo reale.
Le nostre grandi speranze per una prima immagine spettacolare di Hubble si sono schiantate sulla Terra poche settimane dopo, quando il mondo ha appreso che il telescopio spaziale multimiliardario che avevamo appena messo in orbita aveva una visione sfocata. Charlie e Steve hanno trascorso molte lunghe settimane preoccupandosi di poterlo causare facendo urtare il telescopio mentre lo sollevavano cautamente fuori dalla stiva della navetta. Devono essere state le uniche due persone sulla Terra che sono state sollevate nell'apprendere che lo specchio primario di 96 pollici di diametro di Hubble aveva la forma sbagliata. Era troppo piatto sul perimetro di 0,0001 pollici, che è circa 1/25 del diametro di un capello umano o 1/40 dello spessore di una tipica pagina di libro con copertina rigida.
Era una notizia incredibile, un errore impensabile. Un'ondata di shock e angoscia travolse la NASA e la comunità scientifica di Hubble. Il Congresso e i media sono esplosi in indignazione. Il dolore era scritto chiaramente sui volti cinerei dei funzionari della NASA che hanno dato la notizia al pubblico.
Devono essere state le uniche due persone sulla Terra che sono state sollevate nell'apprendere che lo specchio primario di 96 pollici di diametro di Hubble aveva la forma sbagliata.
Lanciare la prima missione di manutenzione due o tre anni dopo il dispiegamento era stato a lungo il piano, ma nessuno aveva mai immaginato che la vita della missione Hubble sarebbe stata in bilico fin dalla prima volta.
Come spesso accade, il trucco per trovare una soluzione era riformulare il problema. Lo specchio stesso aveva davvero bisogno di essere riparato? Supponiamo invece che la vera sfida fosse correggere la luce che rifletteva negli strumenti? Una felice circostanza - l'unico piccolo frammento di buone notizie in un fiasco altrimenti davvero orribile - suggeriva che ciò potesse essere possibile. La forma dello specchio era davvero sbagliata, ma era esattamente sbagliata. Ciò significava che gli ingegneri potevano calcolare in modo molto preciso la differenza tra la sua forma effettiva e la forma che doveva essere. Queste informazioni potrebbero quindi essere utilizzate per calcolare la correzione che ripristinerebbe la visione del telescopio, proprio come un optometrista determina la forma delle lenti da vista necessarie per un paio di occhiali.
Entro ottobre, il team aveva in mano i contorni di un piano di recupero. Uno dei quattro grandi strumenti scientifici nella parte posteriore di Hubble sarebbe stato sostituito con una scatola identica contenente l'ottica correttiva: piccoli specchi nella custodia di Hubble, anziché lenti. Questi specchi fornirebbero una luce adeguatamente focalizzata ai sensori di guida del telescopio e ai tre strumenti rimanenti. Specchi simili sarebbero stati integrati nell'unità sostitutiva del principale strumento di imaging di Hubble, la Wide Field/Planetary Camera, che era già in costruzione.
Altri quattro equipaggi della navetta avrebbero visitato Hubble nei prossimi 16 anni. Ogni missione di assistenza ha migliorato i metodi esistenti e ha inventato nuovi dispositivi per affrontare riparazioni sempre più complesse, ma tutto si basava molto sugli strumenti e sulle attrezzature prodotti dal team originale. Con la quarta missione, le squadre di riparazione di Hubble stavano facendo cose che non avremmo mai contemplato nel 1990, come togliere il coperchio a un delicato strumento scientifico montato a pochi metri sotto lo specchio primario per cambiare le singole schede dei circuiti.
Mentre svolgevano i loro compiti vitali, gli astronauti delle passeggiate spaziali che mantenevano il telescopio hanno lasciato le impronte delle loro mani sulla sua pelle esterna.
Nel corso delle cinque missioni di manutenzione, 16 camminatori spaziali trascorrerebbero un totale di 165,8 ore, appena sei minuti in meno di sette giorni interi, a guidare il braccio robotico della navetta o ad arrampicarsi attorno al telescopio. Grazie a queste missioni, il telescopio oggi è uno strumento di gran lunga migliore di quello che abbiamo schierato per la prima volta il 25 aprile 1990. La sua affidabilità, archiviazione e velocità di trasmissione dei dati sono aumentate quando gli equipaggi dello space shuttle hanno sostituito l'elettronica originale degli anni '70 con l'elettronica di stato componenti a stato solido di ultima generazione.
Un triplice aumento della sensibilità gli permette di vedere più in profondità nell'universo. Le fotocamere di Hubble sono 100 volte migliori oggi rispetto all'inizio e i suoi spettrografi sono 10 volte migliori. Tutti questi progressi hanno permesso a Hubble di misurare il tasso di espansione dell'universo, noto come Hubble Constant, quasi cinque volte più precisamente dell'obiettivo di progettazione preflight, e di essere riconosciuto come l'osservatorio più produttivo mai costruito.
In sostanza, tutto ciò che resta dell'Hubble che abbiamo portato in alto nel 1990 sono i due specchietti e il traliccio di misurazione che li tiene, i corrimano in EVA gialli e le prese per i poggiapiedi e la pelle esterna argento lucida che rende questa magnifica macchina volante così facile da individuare quando passa sopra la testa al crepuscolo. Quella pelle argentata brilla molto meno di quanto non facesse il giorno in cui vidi Hubble per la prima volta nell'aprile del 1985. Gran parte del decadimento è dovuto semplicemente al duro ambiente dello spazio. Tutti i satelliti subiscono il tempo in quanto sono costantemente bombardati da micrometeoroidi, frammenti di detriti spaziali, radiazioni intense e particelle cariche nel vento solare. Hubble è l'unico tra i satelliti ad essere colpito da un'altra forza di agenti atmosferici: il contatto umano. Mentre svolgevano i loro compiti vitali, gli astronauti delle passeggiate spaziali che mantenevano il telescopio hanno lasciato le impronte delle loro mani sulla sua pelle esterna.
Queste impronte visibili delle mani sono come la punta di un iceberg, accenni drammatici di una massa più grande che è fuori dalla vista. Per me simboleggiano le innumerevoli mani legate alla terra che hanno progettato la manutenibilità nel telescopio, costruito gli strumenti e le attrezzature necessarie per trasformare in realtà la manutenzione in orbita, addestrato gli equipaggi di volo e svolto ogni missione instancabilmente come gli astronauti stessi. Ognuna di queste persone sconosciute può giustamente affermare di avere anche le impronte della mano sinistra su Hubble.
Kathryn D. Sullivan è un'astronauta della NASA (in pensione), ex sottosegretario al Commercio per gli oceani e l'atmosfera della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e membro della Astronaut Hall of Fame. Questo saggio è adattato ed estratto dal suo libro, Impronte di mani su Hubble: la storia dell'invenzione di un astronauta , pubblicato il 19 novembre 2019 da MIT Press.