LUẬN văn sư PHẠM vật lý cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và những thành tựu đạt được của kính thiên văn không gian hubble

Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí
Phần I

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong nghiên cứu thiên văn học, hoạt động quan sát đóng một vai trò hết sức
quan trọng. Hầu hết các quan sát bằng mắt thường đã được các nhà thiên văn cổ thực
hiện từ hàng trăm, hàng nghìn năm trước để xác định các chu kì chuyển động biểu kiến
của các thiên thể, dự đoán và xem xét các hiện tượng thiên văn, phân chia và xác định
các chòm sao .v.v….
400 năm trở lại đây, các quan sát của loài người đã tiến xa hơn rất nhiều nhờ sự
xuất hiện của kính thiên văn. Việc quan sát và nghiên cứu các ngôi sao, các thiên hà ở
rất xa, tìm hiểu cấu trúc của vũ trụ đòi hỏi sự có mặt của loại dụng cụ này.
Kính thiên văn là một trong những thiết bị được cho là đã tạo nên cuộc cách
mạng khoa học trong thế kỷ 17. Nó đã làm sáng tỏ nhiều hiện tượng của bầu trời và có
ảnh hưởng quyết định đến cuộc tranh cãi giữa những người theo trường phái địa tâm
truyền thống và những người theo trường phái nhật tâm do Côpécníc khởi xướng. Lần
đầu tiên con người đã có một dụng cụ để mở rộng giác quan của mình với thế giới bên
ngoài, điều này kể từ đó đã chuyển dần việc quan sát tự nhiên từ con người sang cho
các thiết bị, máy móc.
Ngày nay kính thiên văn làm việc hiệu quả nhất là kính thiên văn không gian
Hubble. Kính thiên văn Hubble được coi là “cuộc cách mạng” trong ngành thiên văn
Trung
Học
liệu ĐH
Thơ
học tâm
thế giới
với những

hìnhCần
ảnh tuyệt
vời@
thuTài
đượcliệu
từ vũhọc
trụ. tập và nghiên cứu
Từ những ứng dụng của kính thiên văn Huuble, em đã quyết định thực hiện đề
tài “Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và những thành tựu đạt được của kính thiên văn
không gian Hubble”.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
- Tìm hiểu vài nét về lịch sử kính thiên văn không gian Hubble.
- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính thiên văn không gian
Hubble.
- Tìm hiểu những khám phá quan trọng của kính thiên văn không gian Hubble
và ý nghĩa của những khám phá đó.

3. PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
- Chỉ trình bày những lý thuyết có liên quan.
- Đa phần sử dụng tài liệu trên internet để tìm hiểu kính thiên văn không gian
Hubble.

4. CÁC MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Phần lý thuyết: tìm hiểu lược sử kính thiên văn, tìm hiểu cấu tạo và hoạt động,
những ưu điểm của kính thiên văn không gian Hubble.
- Phần ứng dụng: Tìm hiểu những khám phá của kính thiên văn Hubble và ý
nghĩa của những khám phá đó.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

1

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

5. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
5.1 Phương pháp
- Tra cứu tài liệu và tìm hiểu thực tế.
- So sánh, phân loại và tổng hợp kiến thức.
- Giải toán truyền thống.
- Giải toán trên máy vi tính.
5.2 Phương tiện
- Sách tham khảo, mạng Internet.
- Máy tính.

6. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Tìm tài liệu, các khái niệm và thuật ngữ liên quan đến nội dung đề tài.
- Tìm hiểu mức độ thực hiện của các đề tài liên quan đến vấn đề này.
- Thực hiện nội dung đề tài phần lý thuyết và phần ứng dụng
- Hoàn chỉnh luận văn.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

SVTH: Nguyễn Bá Thành

2

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

CC K HIU QUY C CA TI
- HST: Kớnh thiờn vn khụng gian Hubble (Hubble Space Telescope)
- NASA: Cc qun tr hng khụng v khụng gian quc gia (National
Aeronautics and Space Administration)
- ESA: C quan khụng gian chõu u (European Space Agency).
- SSI: Vin khoa hc khụng gian (Space Science Institute)
- GSFC: Trung tõm v tr NASA (NASA's Goddard Space Flight Center)
- ST-ECF Vin vin kớnh khụng gian chõu u (Space Telescope-European
Coordinating Facility)
- SSM: H thng h tr (Support Systems Module)
- OTA: H kớnh thiờn vn quang hc (Optical Telescope Assembly)
- SMS: Cu trỳc v h thng mỏy múc ph (Structures and Mechanisms
Subsystem)
- STOCC: Trung tâm iều khiển những thao tác kính thiên văn không gian
(Space Telescope Operations Control Center)
- HGA: Anten li cao (High Gain Antenna)
- LGA: Anten li thp (Low Gain Antenna)
- RDA: Những kích quay iều khiển (Rotary Drive Actuators)
- DMS: Hệ thống quản lý dữ liệu (Data Management Subsystem).
- SBC: Máy tính độc lập (single-board computer)
- ICS: H thng o c v truyền thông ph (Instrumentation and

Communications Subsystem)
Trung tõm
HcHliu
H
Cn
Th
@ Ti
liu hcSubsystem)
tp v nghiờn cu
- DMS:
thng
quản
lý dữ
liệu (Data
Management
- DMU: n v qun lý d liu (Data Management Unit)
- DIU: B phn giao din d liu (Data Interface Units)
- PCS: Hệ thống iều khiển (Pointing Control Subsystem)
- SIC&DH: H iều khiển dụng cụ khoa hc v ơn vị xut dữ liệu (Science
Instrument Control and Data Handling Unit)
- NSCC-I: Máy tính tàu vũ trụ ca NASA (NASA Standard Spacecraft
Computer)
- SIU: Bộ phận giao diện chuẩn (Standard Interface Unit)
- CU/SDF: Đơn vị iều khiển/nh dng dữ liệu khoa học (control Unit/Science
Data Formatter)
- PCU: Ngun iu khin (Power Control Unit)
- RIU: Bộ phận giao diện từ xa (Remote Interface Units)
- ACS: Camera kho sỏt (The Advanced Camera for Surveys)
- WFC: Kờnh bng thụng rng (Wide Field Channel)
- HRC: Kờnh phõn gii cao (High Resolution Channel)

- SBC: Kờnh nhn trc tip ỏnh sỏng mt tri (Solar Blind Channel)
- SITe: Cụng ngh to nh khoa hc (SITe)
- MAMA: H thng mch vi x lý cc dng (Multi-Anode Microchannel
Array).
- CCDs: Thit b sinh cp in tớch (The charge-coupled devices)
- ACCUM: ACS MAMA hot ng theo kiểu tích lũy

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

3

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

- NICMOS: Camera hồng ngoại và quang phổ kế (Near Infrared Camera and
Multi-Object Spectrometer)
- NICMOSlook: Chương trình phân tích dữ liệu
- WFPC2: Camera có trường rộng thế hệ 2 (Wide Field/Planetary Camera 2)
- WFC: Camera trường rộng của kính thiên văn Hubble (Hubble's Wide Field
Camera).
- PC: Camera có trường rộng dùng để chụp ảnh những hình hành tinh
(Planetary Camera)
- STIS: Máy chụp ảnh quang phổ (Space Telescope Imaging Spectrograph)
- FGS: Sensor dẫn hướng quang học (Fine Guidance Sensor)
- SSA: Bộ chän läc A (Star Selector A assembly)
- SSB: Bộ chän läc B (Star Selector A assembly)

- AMA: Hệ gương Articulating Mirror Assembly
- IFOV: Thị trường tức thời (Instantaneous Field of View)
- PMT: Ống nhân quang điện tử
- ST-ECF: Space Telescope-European Coordinating Facility ()
- STScI: Viện khoa học viễn kính không gian (The Space Telescope Science
Institute)
- TDRSS: Hệ thống vệ tinh vô tuyến và viễn thông (Tracking and Data Relay
Satellite System).
- GSFC: Trung tâm không gian.
- STOCC: Trung tâm điều khiển các thao tác viễn kính không gian (Goddard's
Space Telescope Operations Control Center)

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

SVTH: Nguyễn Bá Thành

4

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí
Phần II

NỘI DUNG
1. VÀI NÉT VỀ KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE
HST được tàu con thoi đưa lên quỹ đạo vào ngày 24 tháng 4 năm 1990, từ trung
tâm không gian Kennedy, Florida vào trong một quỹ đạo ở độ cao 569 km so với mặt

đất, với độ nghiêng 28,5° và cứ 97 phút là quay một vòng quanh trái đất với vận tốc
28000 km/h. Hubble là thành quả của NASA và ESA. Người ta lấy tên của nhà thiên
văn Edwin Hubble để đặt cho nó.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 1a: Quỹ đạo của HST
Ðó là một kính thiên văn điều khiển từ mặt đât, ở Viện khoa học không gian
(Space Science Institute) đặt tại Baltimore. Nhờ ở ngoài tầng khí quyển trái đất nên
kính thiên văn này chụp được hình ảnh rõ ràng tối đa vì không có một ảnh hưởng do
sự dao động nào của tầng không khí mà những tia sáng phải đi xuyên qua như khi
chúng tới những kính thiên văn đặt trên mặt đất.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

5

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Hình 1b: HST được tàu con thoi phóng vào vũ trụ
(NASA, 24 tháng 4 năm 1990)
HST là kính quang học bay trong quỹ đạo to nhất hiện nay. Các nhà thiên văn
dùng HST để nghiên cứu khoa học, ước lượng tuổi và thành phần cấu tạo của vũ trụ,
Trung
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

những thiên hà mà trước kia chưa từng biết tới, sự hiển nhiên của các lỗ đen ở giữa các
thiên hà, sự tạo các vùng sao và sự hiểu biết hơn về quá trình vật lý trong vũ trụ.
Lyman Spitzer (1914-1997) là cha đẻ của kính thiên văn không gian mang tên
Hubble, được tàu con thoi đưa lên quỹ đạo vào tháng 4 năm 1990. Ngay từ cuối những
năm 1940, ông đã nêu ra ý tưởng đưa lên quỹ đạo bên trên bầu khí quyển của Trái Đất
một kính thiên văn lớn có khả năng bắt được cả ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy lẫn tử
ngoại. Ý tưởng này được đề xuất sớm gần chục năm, trước khi vệ tinh đầu tiên được
phóng lên Vũ trụ vào năm 1957. Ban đầu không ai tin là điều đó có thể làm được.
Spitzer phải tốn hàng chục năm mới thuyết phục được cộng đồng các nhà thiên văn về
ích lợi của dự án và thuyết phục được Quốc hội Mỹ đồng ý cấp kinh phí. Ban đầu, lẽ
ra kính phải có một gương đường kính 3m, nhưng do hạn chế về kinh phí, nên cuối
cùng rút lại chỉ còn 2,4m.

Hình 1c: Lyman Spitzer (1914-1997)
SVTH: Nguyễn Bá Thành

6

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Hubble không hoạt động ngay lập tức như người ta hy vọng. Sau khi đưa lên
quỹ đạo, các nhà thiên văn mới nhận thấy rằng gương của cái “kỳ quan công nghệ”
thực sự có một sai hỏng nghiêm trọng. Kính thiên văn nhìn bị nhòe! Điều này đã gây
nên sự thất vọng kinh khủng. Tuy không thể quan sát được các đối tượng ở xa, nhưng
Hubble cũng đã gửi về rất nhiều thông tin về các thiên thể sáng như các hành tinh

trong hệ Mặt Trời hoặc các sao và các thiên hà gần. Việc xử lý nhờ những kỹ thuật tin
học tinh xảo ở mặt đất đã cho phép sửa được khuyết điểm của kính Hubble.
Tuy nhiên đối với các thiên thể sáng yếu, chẳng hạn như các hệ hành tinh quay
quanh những ngôi sao khác hay các thiên hà ở rất xa thì nó hoàn toàn không thu bắt
được. May thay nó đã không bị NASA bỏ rơi. Vào cuối năm 1993, trong một sứ mạng
ngoạn mục của tàu con thoi không gian, các nhà du hành Vũ trụ của NASA, trong một
vũ điệu siêu thực không trọng lượng khi quay quanh Trái Đất cứ 97 phút một vòng và
ở cách mặt đất hàng trăm kilômét, đã lắp đặt thành công một hệ thống thấu kính để sửa
khuyết điểm của kính Hubble. Giờ đây kính Hubble đã có thể nhìn Vũ trụ với tất cả độ
nét tuyệt vời của nó. Hubble cho phép chúng ta bội thu các phát minh kỳ diệu - những
phát minh sẽ làm thay đổi quan niệm của chúng ta về thế giới.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 1d: HST năm 1993

Hình 1e: HST ở độ cao 569 km so với mặt đất

SVTH: Nguyễn Bá Thành

7

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Hình 1f: Kính không gian Hubble được sửa chữa

Ngày 24 tháng 4 năm 2005, trung tâm Chabot Space and Science Center
(10000 Skyline Boulevard, Oakland, CA 94619) đã tổ chức lễ kỷ niệm 15 năm tuổi
của tâm
HST vào
10h ĐH
(giờ Cần
địa phương)
và khai
số hình
ảnh
Trung
Họclúcliệu
Thơ @
Tài mạc
liệucuộc
họctrưng
tậpbày
và một
nghiên
cứu
độc đáo mới do HST phát hiện và chụp được. Mọi nguời được mời vào xem những
hình ảnh chưa hề được công bố do kính thiên văn Hubble chụp, và xem khu trưng bày
hình ảnh về kính này.

Hình 1g: HST hiện nay
HST nặng 11 tấn, dài 13,2m, đường kính 4,2m và giá 2 tỉ USD. Ngoài ra, nó
còn được gắn thêm hai bản sử dụng năng lượng mặt trời. Là một kính thiên văn phản
xạ có 2 mặt kính; kính chính (kính sơ cấp) có đường kính 2,4m. Nó được mắc nối với
hai phổ kế khác nhau và 3 camera điện tử riêng biệt với một bộ lọc và khuếch tán ánh

SVTH: Nguyễn Bá Thành

8

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

sáng được dùng để chụp các vật ở rất xa: trong đó một camera có trường hẹp cho
những vật có độ chiếu sáng yếu, một cái khác có trường rộng cho những hình thuộc
hành tinh và một camera hồng ngoại kết hợp với quang phổ kế.
Nó dùng hai tấm pin mặt trời để cung cấp điện cho các camera và bốn bánh lái
để định hướng kính thiên văn và giữ cho nó ổn định. Camera hồng ngoại và phổ kế
được làm lạnh ở 93 K.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

SVTH: Nguyễn Bá Thành

9

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

2. CẤU TẠO KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 2a: Minh họa ba hệ thống của Hubble
HST có ba hệ thống ảnh hưởng lẫn nhau:
- Hệ thống hỗ trợ (SSM): Một cấu trúc phía ngoài cung cấp cho những hệ thống
khác những dịch vụ như: năng lượng, truyền thông dữ liệu, …
- Hệ kính thiên văn quang học (OTA): tập trung ánh sáng vào mặt phẳng trung
tâm cho những dụng cụ khoa học.
- Các dụng cụ khoa học: thiết đặt ở bên trong tàu vũ trụ tại mặt phảng trung tâm
và đặt dọc theo chu vi của tàu vũ trụ.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

10

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

2.1 Hệ thống hỗ trợ (SSM)

Hình 2.1a: Hệ trục tọa độ trên Hubble

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 2.1b: Minh họa hệ thống hỗ trợ
2.1.1. Cấu trúc ngoài và hệ thống máy móc phụ (Structures and
Mechanisms Subsystem)
Cấu trúc ngoài của SSM gồm có những hình trụ chồng lên nhau, với cửa ống
kính ở trước và vách ngăn đuôi tàu ở sau.

2.1.1.1. Cửa ống kính (Aperture Door)
Cửa ống kính, đường kính xấp xỉ 3m, bảo vệ hệ quang häc của Hubble bªn
trong cũng giống như mét thÊu kÝnh cña camªra có màn chắn thÊu kÝnh. Nã ®ãng lại
SVTH: Nguyễn Bá Thành

11

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

khi Hubble không thc hin cỏc thao tác để cản trở ánh sáng n cỏc gng và những
dụng cụ. Cửa c làm từ nhng tấm nhôm lm l tổ ong. Bên ngoài c bao trùm
với chất phản chiếu ỏnh sỏng mặt trời và bờn trong c vẽ đen để hp th ánh sáng
nhiu. Cỏnh ca m ln nht 105 độ từ vị trí đóng. Khu kớnh thiờn vn cú th
trng 50 độ t ỳng tõm trên trục V1.
Nhng sensor trỏnh Mt Tri s cảnh báo chung để tự động đóng cỏnh cửa
trớc khi ánh sáng mặt trời có thể lm h hại h quang hc ca kớnh thiờn vn. Cỏnh
cửa bt u đóng khi mặt trời trong phm vi 35 độ so vi trục V1 và c đóng trong
thời gian mặt trời đạt đến 20 độ so vi V1. iu ny không quỏ 60 giây. Trung tâm

iều khiển những thao tác kính thiên văn không gian (Space Telescope Operations
Control Center STOCC) có thể iu khin cơ chế úng cửa bảo vệ cho những sự
quan sát trong giới hạn 20 độ.
2.1.1.2 Mn chn ánh sáng
Nó nối ca ng kớnh vi vỏ trc. phớa ngoi ca Hubble trờn những cạnh đối
diện là những chốt cửa để giữ an toàn bng thu nng lng Mt Tri (SA) v anten
li cao (HGA) khi xp gn. Gần những chốt cửa SA l những đĩa kim loại mòn, lớn
bảo vệ bọc bên trong. Mn chn ánh sáng Anten li thp (LGA) phớa trc, hai từ
kế l hai sensor nhạy ỏnh sỏng mặt trời.
Cỏc tay vn bao quanh mn chn ánh sáng, h tr nh du hnh v tr lm vic
trờn Hubble.
Mn chn di 4 m, vi đờng kính bên trong 3 m. Nú c lm bng Magie v
c bc lp ph nhit. Bờn trong mn chn có 10 mng ngăn ánh sáng, màu đen
Trung
tõm
Hc
@ Ti
liu
tp
cu
phẳng
để hp
thliu
ánh H
sáng Cn
nhiu. Th
nh sáng
i theo
mthc
ng

c v
nhnghiờn
xuyờn qua
ca
ng kớnh trc khi vào hệ thống quang học. Mn chn ánh sáng ngăn ánh sáng nhiu
khi vo Hubble.

2.1.1.3. V trc
V trc: khu vc trung tõm ca cu trỳc ni mn ngn chớnh ca OTA v
gng th cp.
Khi c lp vo, SA và HGA c đóng chốt i din trc vỏ và mn ngn
ỏnh sỏng. phía ngoài có hai móc cố định tiếp theo b truyn ng ca HGA, õy l
hệ thống nhn tớn hiu từ xa.
Vỏ trớc cũng có những tay cầm và một chốt quay đợc sử dụng để khóa kính
thiên văn vào con thoi.
2.1.1.4. Mt ct cỏc thiết bị cn thit
Mt ct ny gm nhng vũng bao quanh SSM. Nú cha khong 90% thit b
hot ng ca tu v tr, bao gm cỏc thit b hot ng ngoi tu v tr.
Mt ct ny chứa đựng 10 phn thiết bị và hai phn hỗ trợ đuôi tàu.

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

12

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

Trung tõm Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu

Hỡnh 2.1.1.4. Mt ct cỏc thiết bị cn thit
Nh trong hỡnh: i theo chiu kim ng h t trc V3, nhng phn nh bao
gm:
- Phn 8: H iu khin điều khiển
- Phn 9: H bánh xe phản ứng
- Phn 10: Cỏc ơn vị SI C&DH
- Phn 1: H thng qun lý d liu
- Phn 2, 3, 4: H in nng
- Phn 5: H truyn thụng
- Phn 6: RWA
- Phn 4: Chốt quay hỗ trợ
- Phn 7: H điều khiển cơ chế hot ng khỏc

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

13

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.1.5. Vỏch ngn v mt sau uụi tu

Hỡnh 2.1.1.5. Vỏch ngn v mt sau uụi tu

Vỏch ngn v mt sau uụi tu chứa đựng những thit b dựng nh v vic
iu chnh trc kính thiên văn không gian quang học. Ba sensor dn hng (FGS) v
camera trng rng dựng cho nh v hnh tinh ở xuyên tâm, gần điểm nối gia đuôi
tàu là mn bao ph và mt ct thiết bị SSM. Nhng cỏnh ca mt sau cho phộp những
nhà du hành vũ trụ con thoi loại bỏ, thay đổi thiết bị và những dụng cụ dễ dàng. Trong
thời gian bảo trì hoặc loại bỏ một dụng cụ, những ngun sáng phía trong chiu sáng
những gian chứa đựng những thit b. Mt sau lm bng nhụm vi v cng, nhng
vũng c nh. Nú di 3,5 m v ng kớnh 4,3 m. vách ngăn đuôi tàu chứa đựng
những kết nối giữa kính thiên văn và tu con thoi.

Trung tõm Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu

2.1.1.6. Cỏc thit b c hc
Dọc theo cấu trúc SSM là cỏc thit b c hc bao gồm:
- Những chốt cửa để giữ những anten và SAS.
- Bản lề điều khiển mở cửa ng kớnh và những mảng, và những anten ng

thng.
- Khp để di chuyển HGA.
Có chín chốt cửa: Bốn cho những anten, bốn cho những mảng, và một cho cửa
ng kớnh. Chỳng đóng chốt và ngt in sử dụng bốn kết nối điều khiển bởi những
ng c gọi là những kích quay iều khiển (Rotary Drive Actuators RDA).
Có ba bản lề điều khiển, một cho mỗi HGA và một cho cửa chớnh. Những bản lề
cũng sử dụng một RDA. Cú cả những bản lề lẫn những chốt cửa cho nhà du hành vũ
trụ có thể vn hnh bằng tay để triển khai cửa chớnh, anten, hoặc mảng nếu một ng
c khụng hot ng.
2.1.2 H thng o c v truyền thông ph (Instrumentation and
Communications Subsystem)
Hệ thống con này ni lin mch truyền thông giữa kính thiên văn và vệ tinh vụ
tuyn v vin thụng (Tracking and Data Relay Satellites TDRS), những lnh nhn

c v nhng dữ liệu truyn i xuyờn qua HGA và LGA. Tất cả thông tin đợc
chuyển qua hệ thống quản lý dữ liệu (DMS).

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

14

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.2.1. Mỏy phỏt truy nhn S-Band (S-Band Single Access Transmitter
SSAT)
Kính thiên văn c trang bị với hai SSAT. S-Band xác định tần số mà dữ liệu
đợc truyền, và Single Access cho phộp anten trên TDRS c truyn d liu.

2.1.2.2. Anten li cao (HGA)
Mỗi HGA là một gng phn x dng parabôn gn lên trên cột anten với mt cơ
chế gm hai cacdang và thit b in t iu khin quay 100 độ theo mọi phơng
hớng.

Trung tõm Hc liu H
Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
Hỡnh 2.1.2.2. Anten li cao (HGA)
Mỗi anten c iu chnh vi s chớnh xác một độ. Những anten truyền vi
hai tần số : 2255.5 MHz hoặc 2287.5 MHz (chờnh lch 10 MHz).

2.1.2.3 Anten lithp (LGA)
LGAs nhận lệnh t mt t và truyền dữ liệu thu thp. Chỳng c ặt 180 độ
về một bên trên mn chn ỏnh sáng v ở vách ngăn đuôi tàu của tàu vũ trụ. Mỗi anten
là một hình nón xoắn ốc có thể vn hnh vi dóy tần số từ 2100 MHz tới 2300 MHz.
2.1.3. H thng quản lý dữ liệu (DMS)
DMS nhận những lệnh truyền từ STOCC, dữ liệu từ hệ thống SSM, OTA. Nó xử
lý, lu tr, và gửi thông tin. H thng cu thnh gm cú:
- DF-224 computer
- n v qun lý d liu (Data Management Unit)
- Bn b phn giao din d liu (Four Data Interface Units DIU)
- Ba mỏy ghi d liu khoa hc, cụng ngh
- B dao ng.
DMS nhận, xử lý, và truyền năm kiểu tín hiệu:
- Những lệnh t mt t gửi cho những hệ thống HST.
- Nhng lnh mỏy tớnh tng quỏt v mỏy tớnh ct gi.
- D liu khoa học t n v SIC&DH
- D liu v tỡnh trng kỹ thut kính thiên văn cho sự đo lờng từ xa
- Những đầu ra hệ thống, nh đồng hồ báo hiệu và safemode báo hiệu.
SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

15

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.3.1. H thng mỏy tớnh

H thng máy tính cu hình nh ba máy tính độc lập (single-board computer
SBC). Mỗi máy tính cú hai megabyte của b nh truy xut ngu nhiờn và một megabyte
kí ức của b nh n nh. Máy tính giao tiếp với HST bng cỏch sử dụng khả năng truy
nhập b nh trực tiếp trên mỗi SBC xuyên qua dữ liệu. một thời điểm nht nh, ch
một SBC có thể điều khiển kính thiên văn. Cỏc SBCs có thể tt ngun, trạng thái ch,
H thng máy tính đo cú kớch thc 0,48 x 0,46 x 0,33 m và v nặng 32 Kg. Nó
đợc định vị trong phn 1 mt cỏt thit thiết bị SSM.

Trung tõm Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
Hỡnh 2.1.3.1. H thng mỏy tớnh
2.1.3.2. n v qun lý d liu (DMU)
DMU liên kết với máy tính. Nó mã hóa dữ liệu và gi tin thông báo tới những
đơn vị kính thiên văn đợc chọn. DMU nhận và giải mã tất cả các lệnh đầu vào, rồi
truyền lệnh xử lý c thc hin. DMU nhận dữ liệu khoa học t nhng n v SIC v
DH. Dữ liệu kỹ thut, gồm tình trạng sensor và phần cứng (nh nhiệt độ hoặc điện áp),
đến từ mỗi hệ thống kớnh thiờn vn. Dữ liệu có thể đợc cất giữ trong những máy ghi
dữ liệu.
2.1.3.3 Bn b phn giao din d liu (DIU)
Bốn DIUs cung cấp một lệnh và nối dữ liệu giữa DMS và hp điện tử kính thiên
văn. DIUs nhận những lệnh và dữ liệu của DMU và chuyển dữ liệu hoặc thông tin tr
v DMU. OTA DIU đợc định vị trong OTA. Mỗi DIU cú kớch thc 38 x 41 x 18 cm
and nng 16 kg.
2.1.1.4 Ba mỏy ghi d liu khoa hc, cụng ngh
DMS bao gồm ba máy ghi dữ liệu kỹ thut hoặc dữ liệu mà không thể truyền tới
mt t nền. Những máy ghi đợc định vị trong mt ct thit b ti phn 5, 8 v ct gi
12 t bit thụng tin. Hai máy ghi đợc sử dụng trong những thao tác bình thờng. Cỏi
th ba dựng sao chộp, lu tr d liu. Mỗi máy ghi cú kớch thc 30 x 23 x 18 cm v
nng 9 kg.
SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

16

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.3.5. B dao ng
B dao ng cú một hình ống ng kớnh 10 cm, di 23 cm v cõn nng 1,4 kg.
Bộ dao động và một mỏy ghi d liu đợc t trong phn 2 của thiết bị SSM
2.1.4. Hệ thống iều khiển (PCS)
Phần mềm PCS tính toán cho một phần cỏc mã chuyến bay bởi máy tính chính
của Hubble. Phần mềm này dịch những lệnh t mt t quay bánh xe thay i
hng tàu vũ trụ. Tất cả chuyển động của tàu vũ trụ đợc hot ng ớt thay i nht
trong thời gian tập hợp dữ liệu. Phần mềm định hớng kính thiên văn từ dữ liệu FHST
hoặc FGS. Ngoài ra, phần mềm cung cấp nhiều dạng đo lờng từ xa.
2.1.5 Bn pin nng lng Mt Tri (SA)
Trờn thõn ca kớnh thiờn vn Hubble cú gn hai bng ch nht thu nng lng
Mt Tri di khong 12 m, ngun nng lng chớnh ca nú. Mi mng cỏc ụ trờn hai
bng ú chuyn i ỏnh sỏng Mt Tri thnh 2400 W in nng. in nng c cung
cp cho sỏu ngun pin ca Hubble. Ngun pin ca Hubble cú 22 ụ k tip nhau.
Ngun pin c phõn thnh hai nhúm cõn nng khong 214 kg mi nhúm. Mi nhúm
pin c s dng hn 75 Ampe-gi Hubble thao tỏc bỡnh thng 7,5 gi.

Trung tõm Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu

Hỡnh 2.1.5a: Hai bn pin ca Hubble

Hỡnh 2.1.5b: Mt ct bn pin ca Hubble

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

17

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.6. H iều khiển dụng cụ khoa hc v ơn vị xut dữ liệu (SIC&DH )
SIC&DH giữ cho tất cả hệ thống dụng cụ khoa học đồng bộ hóa. Nó làm việc
với DMU để xử lý, định dạng, cất giữ tạm thời dữ liệu trờn những máy ghi, hoặc truyền
tất cả dữ liệu khoa học và kỹ thut v mt t. SIC&DH là một tập hợp những thit b
điện tử gán ti phn 10 trong thiết bị SSM.
2.1.6.1. Cu to
Thnh phn ca SIC&DH gm cú: Máy tính tàu vũ trụ ca NASA (NASA
Standard Spacecraft Computer - NSCC-I), hai mạch giao diện cho máy tính, hai bộ
phận điều khiển/những đơn vị nh dng dữ liệu khoa học, hai CPU, một PCU, hai
RIU, và nhiều b nh dữ liệu.
Máy tính NASA
NSSC-I gm một CPU và tám b nh, mi b nh giữ 8192 ký t tám bít. Một
phần mềm chạy máy tính. Nó di chuyển dữ liệu, những cõu lệnh, và thao tác chng
trình (gọi những ứng dụng) cho những dụng cụ khoa học riêng lẻ trong và truyn ra
đơn vị xử lý. B nh cất giữ những lệnh thao tác thực hiện khi kính thiên văn không
thc hin lnh t mt t. Mỗi đơn vị b nh có năm vùng dựng lu trữ những cõu
lệnh và những chơng trình duy nhất tới mỗi dụng cụ khoa học.

Bộ phận giao diện chuẩn
Tấm bảng giao điện chuẩn l cõy cầu truyền thông giữa máy tính và CU/SDF.
Đơn vị iều khiển/nh dng dữ liệu khoa học (CU/SDF)
CU/SDF l trung tõm ca SIC&DH. Nó định dạng và gửi tất cả dữ liệu và các
cõu lệnh để chỉ định những nơi đến nh DMU của SSM, máy tính NASA và những
Trung
Hchọc.
liu
H
Cn
Ti
nghiờn
dụngtõm
cụ khoa
Đơn
vị có
mộtTh
bộ vi @
xử lý
viliu
chc hc
nng tp
điều v
khiển
và định cu
dạng.
CU/SDF nhận những cõu lệnh t mt t, những yêu cầu v dữ liệu, dữ liệu khoa học
và kỹ thut, và hệ thống báo hiệu. CU/SDF truyền những cõu lệnh và những yêu cầu
sau khi định dạng chúng n những thit b khoa học. Những cõu lệnh t mt t sử
dụng nhng ký t 27 bit v những lệnh SSM sử dụng những ký t 16 bít.

Ngun iu khin (PCU)
PCU phân phối và chuyển đổi nng lng giữa những thành phần của SIC&DH.
Ví dụ: Những bảng b nh máy tính c cung cp in ỏp +5 vôn, -5 vôn, và +12
vôn.
Bộ phận giao diện từ xa (RIU)
RIUs truyền những cõu lệnh, những tín hiệu hệ thống v dữ liệu kỹ thut giữa
cỏc thit b khoa học và SIC&DH. RIUs không gửi dữ liệu khoa học. Có sáu RIUs
trong kính thiên văn : năm gn cho những thit b khoa học và một dành cho CU/SDF
và PCUs trong SIC&DH.
2.1.6.2 Vn hnh
SIC&DH điều khiển hệ thống dụng cụ theo dõi, xử lý cõu lệnh và xử lý dữ liệu.
Hệ thống theo dõi
những khong thi gian thụng thờng, thay đổi từ 500ms đến 40s, SIC&DH
quét tất cả các thiết bị thiết kế những dữ liệu và chuyển dữ liệu qua tới NSCC-I hoặc
máy tính SSM.

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

18

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

Xử lý cõu lệnh
Những lệnh vào CU/SDF xuyên qua SSM Command DIU hoặc DIU. CU/SDF
kiểm tra và định dng lại những lệnh rồi đi tới RIUs hoặc NSCC-I lu gi v ct gi

trong b nh mỏy tớnh. Nhiều lệnh c ct gi l những lệnh kích hoạt những tình
trạng nhất định.
Xử lý dữ liệu khoa học
CU/SDF chuyển dữ liệu đầu vào xuyên qua những b nh máy tính nh v gọi
là những bộ đệm. Nó làm đầy mỗi bộ đệm bên trong, chuyển i giữa chúng khi những
bộ đệm đầy và trở nên rỗng. Mỗi gói dữ liệu đi từ bộ đệm đến NSCC-I xử lý nữa,
hoặc trực tiếp tới SSM lu tr trong những máy ghi dữ liệu hoặc sự truyền tới mt
t. Dữ liệu trở lại tới CU/SDF sau khi máy tính xử lý. CU/SDF phải gửi cho một dòng
dữ liệu liên tục, hoặc những bộ đệm đầy hoặc những bộ đệm trống rỗng m bo s
ng b húa với SSM.
2.1.7. H thng n nh chuyn ng (Nhng con quay hi chuyn)
Hubble cú sỏu con quay hi chuyn. Hai trong sỏu s ú hot ng liờn tc
ch cho kớnh thiờn vn phng hng ỳng v gi nú n nh. Trong mi con quay
hi chuyn, cú mt bỏnh xe luụn quay vi vn tc gúc ln hn 19000 vũng/phỳt v cú
h thng in t dựng phỏt hin s lch ca trc bỏnh xe dự rt nh. Nh vy, con
quay hi chuyn luụn gi Hubble n nh ti mt im trong mt thi gian di. Khụng
may, nhng con quay hi chuyn ca Hubble gp phi vn : cú 3 con quay hi
chuyn cn c thay th. Nu c sỏu con quay hi chuyn b hng, Hubble khụng th
Trung
liusỏtH
Ti
cu
thctõm
hin Hc
cỏc quan
cCn
na. Th
Vn @
ny
ó liu

xy rahc
trctp
khi v
thcnghiờn
hin Servicing
Mission 3A. Nguyờn nhõn l bờn trong 3 con quay hi chuyn cn c thay th, vi
si dõy rt mng ó b n mũn.

Hỡnh 2.1.7: Mt sensor gn hai con quay hi chuyn

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

19

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.2. H kớnh thiờn vn quang hc (OTA)
OTA gm kớnh vin vng ln tiờu c 57,6 m gn vi kớnh vin vng nh tiờu
c 6,4 m, cả hai gơng cú dạng hyperbol. Vài gơng nhỏ hơn trong những khoa học
đợc thiết kế tng tự dẫn đờng ỏnh sỏng vo bên trong thit b khoa học.

Hỡnh 2.2a: Minh ha ỏnh sỏng i vo Hubble
Hệ thống này là một thiết kế Ritchey - Chretien vi hai gng tập trung hình
ảnh vi th trng ln nht cú th.
nh sỏng i vo ca ng kớnh Hubble v i thng xung vỏch ngn chớnh, vỏch

Trung
tõm
Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
ngn ny dựng loi tr ỏnh sỏng nhiu.
nh sỏng c phn x bi gng s cp cú ng kớnh 2,4m. Nh hỡnh dng
lừm, gng s cp ó hi t ỏnh sỏng n gng th cp xuyờn qua vỏch ngn gng
s cp. Gng th cp vi ng kớnh khong 0,3m thu nhn ỏnh sỏng. Nú i hng
phn x ỏnh sỏng ó hi t ln hn tr v gng s cp xuyờn qua vỏch ngn trung
tõm. nh sỏng xuyờn qua mt l trong gng s cp i n mt phng trung tõm.

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

20

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

2.3. Các thiết bị khoa học (science instruments)

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Hình 2.3a: Vị trí các thiết bị khoa học
Bốn thiết bị lắp đặt thẳng hàng quang trục chính và đặt ngay sau kính sơ cấp:
Camera khảo sát (ACS), camare hồng ngoại và quang phổ kế (NICMOS), camera
trường rộng thế hệ 2, máy chụp ảnh quang phổ (STIS).

SVTH: Nguyễn Bá Thành

21

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Hình liệu
2.3b: ĐH
Các thiết
với các@
cổng
tại mặt
tâm
Trung tâm Học
Cầnbị Thơ
Tàivàoliệu
họcphẳng
tập trung
và nghiên
cứu
2.3.1. Camera khảo sát (ACS)
Camera khảo sát thuộc thế hệ thứ ba, được thiết đặt trong viễn kính không gian
Hubble trong thời gian thực hiện sứ mệnh 3B (Servicing Mission 3B) bằng tàu con
thoi Columbia lúc 6h22 ngày 07/03/2007.
Mục đích chính của nó là làm tăng hiệu quả khám phá tạo ảnh 10 lần cho HST
gấp, với sự kết hợp giữa hệ thống máy tách sóng và hiệu ứng lượng tử vượt trội hơn

những dụng cụ trước đây.

Hình 2.3.1a: ACS
Đội khoa học kỹ thuật ACS được tập trung tại trường Đại học Johns Hopkins,
bao gồm những nhà khoa học từ Mỹ và châu Âu với người đứng đầu là Holland Ford,
SVTH: Nguyễn Bá Thành

22

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

một giáo sư trong ban Vật lý vũ trụ và là một nhà thiên văn học ở Viện kính thiên văn
không gian.

Hình 2.3.1b: Đội khoa học kỹ thuật ACS
ACS có 3 camera hoạt động độc lập với thị trường, độ phân giải cao và khả
năng tạo ảnh tử ngoại tương ứng, sử dụng máy lọc sóng băng thông rộng thiết kế để
hướng đến mục đích khoa học rộng hơn.
Trung tâm
Học
ĐHsắc,
Cần
@cực
Tàilàmliệu
và nghiên

Ngoài
ra, liệu
máy tan
máyThơ
đo phân
chohọc
ACS tập
trở thành
thiết bị đacứu
năng
và mạnh mẽ. Camªra ACS cã cöa chíp tèc độ cao; thËm chÝ thêi gian phơi sáng ng¾n
nhÊt cũng không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian hoạt động của cöa chíp.
ACS là một dụng cụ đa năng có phạm vi bước sóng mở rộng từ tử ngoại, ánh
sáng khả kiến đến hồng ngoại gần.
Ba chức năng chính của ACS:
- Tạo hình ảnh rộng, sâu từ ánh sáng khả kiến đến bước sóng hồng ngoại gần.
- Tạo hình ảnh có độ phân giải cao từ tử ngoại gần đến sóng hồng ngoại dài.
- Tạo hình ảnh tử ngoại không rõ ràng của mặt trời
Đây là những con mắt của Hubble dùng để săn lùng những cụm thiên hà và
thiên hà cổ xưa hoặc rất xa trong khi thiên hà của chúng ta còn rất trẻ.
ACS có ba kênh (3 camera) cho những mục đích đặt biệt:
- Kênh băng thông rộng (WFC): thị trường 202 x 202 arcsecond với bước sóng
từ 3500 Å đến 11000 Å với năng suất đỉnh khoảng 48%. Độ phân giải 0,05
arcseconds/điểm tại bước sóng 11600 Å.
- Kênh phân giải cao (HRC): thị trường 29 x 26 arcsecond từ 1700 Å đến 11000
Å với năng suất đỉnh khoảng 29%. Độ phân giải 0,027 arcseconds/điểm tại bước sóng
6300 Å. Nó dùng để chụp những hình ảnh (phân giải cao) của ánh sáng từ trung tâm
của các thiên hà với những lỗ đen không lồ cũng như các thiên hà bình thường, những
đám sao, những tinh vân, … bị che khuất.
- Kênh nhận trực tiếp ánh sáng mặt trời (): thị trường 34,6 x 30,5 arcsecond từ

1150 Å đến 1700 Å với năng suất đỉnh khoảng 7,5%. Độ phân giải 0,032
arcseconds/điểm tại bước sóng 6300 Å.
SVTH: Nguyễn Bá Thành

23

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

Ngoi 3 chc nng chớnh trờn, ACS cũn cung cp:
- Quang ph Grism: phõn gii thp (R = 100 ti 8000 ) ỏp dng cho di
quang ph t 5500 n 10500 cú th s dng trờn WFC and the HRC.
- Quang ph Prism: phõn gii thp (R = 59 ti 2500 ) ỏp dng cho quang
ph t ngoi gn t 1700 n 3900 cú th s dng trờn HRC.
- Quang ph Prism: phõn gii thp (R = 100 ti 1500 ) ỏp dng cho quang
ph t ngoi xa t 1250 n 1800 cú th s dng trờn SBC.
- Kớnh tỏn sc (coronagraphy): Chựm tia tỏn sc t 2000 n 11000 vi 1,8
arcsecond v 3,0 arcsecond.
- To nh phõn cc: To nh phõn cc trong HRC v WFC vi gúi phõn cc i
xng 0, 60, v 120.
Hiệu ng di chuyển tích nạp
Hiệu ng di chuyển tích nạp là một phng thc hiệu ng của CCD chuyn
s tích nạp từ một điểm c định tới mch tớch hp (con chip). Một CCD hoàn hảo có
thể chuyển 100 % sự tích nạp qua con chip. Trong khi quan sỏt, nhng ng ch U nh
ti li silic gi cht cỏc in t, gii thoỏt chỳng ti thi im sau ú. Tựy theo loi
ng ch U, thi gian phúng thớch t vi phn triu giõy n vi giõy. i vi nhng

tớch np ln (vài nghìn điện tử), mất một ít điện tử không phải là một sai s ln, nhng
vi những tín hiệu nhỏ (khong 100 e- hoặc ít hơn), nó có thể có một hiệu ứng thật.
CTE ợc đo tiờu biu nh một điểm hiệu ng di chuyển và c đồng nhất nh một
CCD hoàn hảo.

Trung tõm
Hc
liu
H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
Cỏch
thit
k ACS
Cỏch thit k ACS hp nht hai kờnh quang hc chớnh: mt cho WFC, mt
dựng chung cho HRC v SBC.

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

24

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Trung tâm Học
liệu
ĐHThiết
CầnkếThơ

@ Tài
học kênh
tập WFC
và nghiên cứu
Hình
2.3.1a:
mặt quang
họcliệu
của ACS:
Mỗi kênh đều có hiệu chỉnh quang học độc lập để khắc phục quang sai bên
trong gương sơ cấp. WFC được phủ bạc để tối ưu hóa các thiệt bị đối với ánh sáng khả
kiến và tử ngoại gần. Việc phủ bạc loại bỏ những bước sóng thấp hơn 3500 Å. WFC
có bộ bánh xe lọc được dùng chung với HRC.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

25

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn