Observatorium

Die Plattform für SOFIA ist ein Flugzeug vom Typ Boeing 747 SP (SP steht für Special Performance und bedeutet das es sich um eine verkürzte Version des Jumbo-Jets handelt). Das Teleskop befindet sich im hinteren Teil des Flugzeugrumpfs in dem eine verschließbare Öffnung existiert. Passagierkabine und Teleskopraum sind durch ein Druckschott voneinander getrennt. Während des Beobachtungsbetriebes befinden sich die Instrumente und Wissenschaftler in der Passagierkabine, das Teleskop ist dagegen - bei geöffneter Luke - den äußeren Bedingungen ausgesetzt. Bei einer Flughöhe von 13 km bedeutet das eine Temperatur von ca. -60 Grad Celsius und ungefähr ein Fünftel des Luftdrucks am Erdboden. Um die Anpassung des Teleskops an diese Bedingungen zu beschleunigen, wird es bereits am Boden entsprechend heruntergekühlt. Bei Start und Landung ist die Kabine durch eine Rolltür vor Staub, Schmutz und allzu starken Luftwirbeln geschützt. Sie soll auch verhindern, dass die Spiegeloberflächen des Teleskops beim Aufstieg mit Wasserdampf beschlagen und zufrieren. Erst bei Erreichen der Beobachtungshöhe wird die Kabine geöffnet.

Bauverlauf

Für seinen Einsatz als fliegendes Observatorium musste die Boeing 747 grundlegend überholt und umgebaut werden. Die Maschine wurde dabei völlig überarbeitet, um Platz für die Teleskopkabine und die Arbeitsplätze der Wissenschaftler zu gewinnen. Der schwierigste Teil aber war die Herstellung einer Öffnung im Flugzeugrumpf, die Gestaltung der Teleskopkabine und der Einbau des Teleskops mit seiner Lagerung. Dazu wurde das SOFIA-Flugzeug 1999 nach Waco/Texas überführt, wo die Umbauarbeiten und die Integration des Teleskops von L3-Communications Intergrated Systems durchgeführt wurden. Um den Ingenieuren eine Überprüfung ihrer Pläne an einem 1:1-Modell zu ermöglichen bevor die eigentlichen Umbauten am Flugzeug vorgenommen werden sollten, wurde ein baugleiches Segment einer abgewrackten Boing 747 SP nach Waco gebracht.
Die Bilder des Transportes dieser so genannten "Sektion 46" finden sie auch in unserer Galerie. An diesem Segment wurden die wichtigsten Umbauarbeiten geübt: Das Öffnen des Flugzeugrumpfs, der Einbau des Druckschotts und eines Modellteleskops. Die Erfahrungen bei dieser "Trockenübung" haben die anschließenden Umbauarbeiten am richtigen Flugzeug und mit dem echten Teleskop sehr erleichtern.
Schauen Sie auf dieser Seite im Text zum Teleskop, um zu erfahren wie das echte Teleskop in das Flugzeug integriert wurde.

Bilder der Umbauarbeiten aus dem Jahr 1999

SOFIA wird nach Waco/Texas überführt ..

.. und in in den Hangar geschleppt..

.. wo schon ein "Trockendock" auf des Flugzeug wartet. (Im Hintergrund die bereits eingetroffene "Sektion 46")

Umfangreiche Arbeiten beginnen an allen Teilen der Maschine.

Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei dem hinteren Bereich des Flugzeuges, in dem später die Teleskopkonstruktion Platz finden wird.

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Zwischenzeitlich wurde am "Modell" schon die Teleskopöffnung geschaffen und das Druckschott eingebaut (hier deutlich als rote Fläche in der Teleskopöffung zu sehen).

Hier das Druckschott in Großaufnahme. In der Öffnung findet später die Teleskopaufängung Platz:

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Ende 1999 wurde dann ein Modell des Teleskops in die Sektion 46 eingebaut:

Unten das Modell des Teleskops in Großaufnahme. Das Originalteleskop wurde in Deutschland gebaut und in den USA in das SOFIA-Flugzeug installiert.

Nach Überführung des Teleskops von Deutschland in die USA

September 2002:

Nachdem das Teleskop in Deutschland fertiggestellt wurde, ist es nach Waco, Texas überführt worden. Unter der Federführung von L3-Communications Intergrated Systems wurde es in enger Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des DSI und dem DLR in das Flugzeug integiert. Für den Transport wurde es in drei Teile zerlegt: Den Teleskoprahmen, die Aufhängung und den Primärspiegel.

Die Boeing 747 SP wurde von den amerikanischen Ingenieuren bereits modifiziert, indem eine Öffnung für das Teleskop in den Rumpf geschnitten wurde und dieser Bereich von der eigentlichen Kabine durch ein großes Druckschott getrennt wurde, welches auf dem Bild unten als großer grün-gelber Ring mit Löchern zu erkennen ist und auch zur Befestigung der Teleskop-Aufhängung dient.

1. Einbau der Aufhängung

Ein speziell für diese Aufgabe modifizierter Kran trägt die Aufhängung für das Teleskop zum Flugzeug.
Für den eigentlichen Einbau muss noch ein zweiter Kran helfen:

Am Schott werden Fixierungspunkte zur Stabilität der Aufhängung angebracht.

Der nächste Teil ist der schwierigste Teil der Arbeit.
Damit die Aufhängung exakt in den Flugzeugrumpf eingebracht werden kann, müssen zwei Kräne die etwa 9300 kg schwere Last stabilisieren.

Nachdem die Teleskop-Lagerung sich nun im Flugzeug befindet, muss sie hier besonders fest verschraubt werden.

Januar 2003

Geschafft !
Tom Bonner - SOFIA Projekt Manager- begutachtet erleichtert die Arbeit.
Bevor als nächstes der schwere Teleskoprahmen eingebaut wird, muss das Flugzeug wieder auf das eigene Fahrwerk gestellt werden (Downjacking), um die zusätzliche Last optimal zu verteilen.

Mai 2003

2. Einbau des Teleskoprahmens

Nun muss im offenen Teil der Kabine der Teleskoprahmen - die sogenannte Metering Structure - an die Aufhängung angebracht werden. Dabei muss diese exakt an das hier abgebildete Starframe befestigt werden, welches als Verbindungsstück zwischen dem Rahmen und dem Nasmyth-Tubus dient.

Der 750 kg schwere Teleskoprahmen wird dazu vorsichtig mit Hilfe eines Kranes in die Rumpföffnung eingelassen.

Nachdem sich die Metering Structure nun im Flugzeug befindet, wird sie an dem Starframe befestigt, um vom Nasmyth-Tubus und damit von der Aufhängung getragen werden zu können.

Juli 2003

3. Einbau des Primärspiegels

Der Primärspiegel als größter der drei verwendeten Spiegel, wird nun in den Teleskoprahmen eingebracht. Zunächst wird er auf einem speziellen Wagen zum Flugzeug gerollt (hier die Seitenansicht).

Da der Spiegel nun am Flugzeug angekommen ist, muss er an dem Kran befestigt werden.

Dieser hebt jetzt den 1680 kg schweren und 2,7 m durchmessenden Primärspiegel zum Flugzeugrumpf.

Der Spiegel befindet sich jetzt innerhalb des Flugzeugs, muss allerdings noch an dem Rahmen festgemacht werden.

Der Spiegel wurde nun befestigt und ist eingebaut. Noch ist er allerdings aus Schutzzwecken mit einer roten Plane bedeckt, da er sehr empfindlich auf äußere Einflüsse reagiert.

Aus dieser Perspektive in die Teleskopkabine, sieht man die gesamte Teleskopstruktur mit dem Primärspiegel (rot) und der Weitwinkel-Kamera mit ihrer Aluminium-Abdeckung auf der 8-Uhr-Position des Teleskoprings.

Teleskopstruktur, die in das Innere der bedruckten Kabine ragt. Erkennbar ist die Öffnung des Nasmyth-Tubus - zum Schutz noch mit Folie bedeckt - und der Flansch zur Befestigung der wissenschaftlichen Instrumente.
Durch Befüllen der Lagerung mit Öl ist ein Film von 30 µm Dicke entstanden, der die nahezu reibungslose Bewegung des Teleskops ermöglicht.

Dezember 2003

Bild zweier Laser an der Hangardecke, aufgenommen mit der Weitwinkelkamera auf der Tragestruktur. Damit wird die Nachführung und die Kameraorientierung zum ersten Mal getestet.

Das Teleskop besteht aus einem Hauptspiegel mit 2,7 m Durchmesser, einem kleineren Sekundärspiegel (Durchmesser: 34 cm) und einem Tertiärspiegel. Primär- und Sekundärspiegel haben fokussierende Wirkung, der Tertiärspiegel lenkt den Strahl um 90° um. Der Brennpunkt der Strahlen liegt damit seitwärts von der Achse (Cassegrain-Focus in Nasmyth-Anordnung). Der Tertiärspiegel besteht eigentlich aus zwei Elementen. Der erste Spiegel ist halbdurchlässig: die infrarote Strahlung wird reflektiert, die sichtbare Strahlung jedoch passiert ungehindert und trifft auf den zweiten Spiegel. So entstehen zwei Brennpunkte: einmal für die infrarote Strahlung und einmal für die sichtbare Strahlung.

Das SOFIA-Teleskop wurde im Auftrag des DLR von den Firmen MT Aerospace AG und Kayser-Threde GmbH entwickelt und gebaut. Dutzende von weiteren Firmen aus Europa haben im Unterauftrag von MT-Aerospace/Kayser-Threde an der Entwicklung des Teleskops mitgearbeitet.
Die wichtigsten Meilensteine der Bauphase werden hier in chronologischer Reihenfolge kurz beschrieben

September 1997: Rohling des SOFIA-Hauptspiegels wird zur Weiterbearbeitung ausgeliefert

2,7 m beträgt der Durchmesser des Hauptspiegels. Er besteht aus "Zerodur" Glaskeramik von SCHOTT, einem Material ähnlich den "Ceran" Glaskeramik Kochflächen in modernen Küchen, das extrem unempfindlich auf Änderungen der Temperatur reagiert. Knapp 4 t wog der Rohling, der bereits eine sphärische Oberfläche und die zentrale Bohrung für die Halterung des Tertiärspiegels aufweist.

Februar 1999: Prototyp des Sekundärspiegelantriebs fertiggestellt

Der Sekundärspiegel kann verschiedene Bewegungen ausführen. Die wichtigste Funktion ist das sogenannte "Choppen", bei dem der Sekundärspiegel um einen kleinen Winkel hin- und hergekippt wird, damit das Teleskop auf zwei verschiedene, aber nahe beieinanderliegende Punkte am Himmel im Wechsel schaut. Mit dem beweglichen Sekundärspiegel kann man auch den Brennpunkt einstellen und die Schwingungen niederer Frequenzen korrigieren.

Juli 1999: Sekundärspiegel fertiggestellt

Der Sekundärspiegel hat einen Durchmesser von 34 cm und besteht aus Siliziumcarbid (SiC). Ähnlich dem Hauptspiegel hat auch er eine leichtgewichtete Struktur. Der Sekundärspiegel hängt an drei Armen befestigt ungefähr 1,8 m über dem Primärspiegel.

Herstellung der Lagerkugel

Als erstes Teil der tragenden Struktur ist die Lagerkugel fertig geworden. Sie wurde in einem Gussverfahren hergestellt. Später wird sie über das Zylinderrohr des Nasmyth-Tubus geschoben. Ein dünner Ölfilm zwischen der Lagerkugel und den Lagerringen im Druckschott erlaubt die reibungsfreie Bewegung des Teleskops. Nach einer Nickelbeschichtung wird die Oberfläche noch mechanisch bearbeitet werden, damit Kugelgestalt und Oberfläche perfekt sind.

Leichtgewichtung des Hauptspiegels

120 Sacklöcher sind in die Rückseite des Spiegels gefräst worden. Die Masse beträgt nur noch ca. 900 kg. Die Rückseite hat eine honigwabenartige Struktur. Teilweise sind die Stege nur noch 7 mm dick. Diese Arbeiten dauerten 18 Monate. Weitere Arbeitsschritte bis zum Sommer 2000  sind Feinschliff und Politur der optischen Fläche.

September 1999: Gyroskop

Prototyp des Gyroskops, mit dem SOFIA stabilisiert wird. In diesem Zylinder befindet sich eine aufgewickelte Glasfaser von 3 km Länge. Für jede Richtung gibt es je einen Kreisel, der an der Teleskopstruktur befestigt ist und an dem sich das Nachführsystem des Teleskops ausrichtet. Von Zeit zu Zeit wird die Position der Kreisel mit den Aufnahmen der Kameras verglichen und bei Bedarf abgeglichen.

Juni 2000: Lagerringe

Das Gegenstück zur Lagerkugel (siehe weiter unten) sind zwei Ringe, die die Kugel von zwei Seiten umfassen. Ein feiner Ölfilm erlaubt die fast reibungsfreie Bewegung der Lagerkugel um +/- 3° in allen Richtungen gegen diese Ringe (hydrostatisches Lager). Die Ringe wurden geschmiedet und danach weiter bearbeitet. Ihr Durchmesser beträgt ungefähr 1,6 m, das Gewicht eines Ringes ca. 200 kg.

Juli 2000: Teleskopaufhängung

Ein weiteres schwergewichtiges Teil von 600 kg ist fertig geworden, ein Teil der inneren Aufhängung, der sogenannten "inner cradle". Die Bewegung der Lagerkugel gegen die Lagerringe ist beschränkt auf +/- 3°. Um eine größere Bewegung um 90° in vertikaler Richtung zu erreichen, braucht man ein weiteres Lager, das auf diesem Schmiedeteil aufbaut.

Vibrationsisolatoren

Um die Vibrationen der Triebwerke vom Teleskop fernzuhalten, wurde eine Art Stossdämpfersystem konstruiert. Zwölf dieser Vibrationsisolatoren sind kreisförmig zwischen Drehachse und Druckschott angeordnet. Sie haben Ähnlichkeit mit Autoreifen, jedoch muss der Druck während des Flugs ständig geprüft werden. Wenn das Teleskop seine Richtung gegenüber der Flugzeugwand verändert, wird der Druck erhöht.

August 2000: Glasfaserkreisel

Die drei Glasfaserkreisel zur Stabilisierung des Teleskops sind fertig geworden. Sie werden an der Teleskopstruktur - zwischen Nasmyth-Tubus und Drehflansch - in der offenen Kabine angebracht. Die Genauigkeit, mit der das Teleskop an einem Punkt am Himmel stehen bleiben kann, beträgt 0,2 arcssec. Das entspricht der Aufgabe, ein Einpfennig-Stück auf eine Entfernung von 16 km zu fixieren.

September 2000: Nasmyth-Tubus

Der Nasmyth-Tubus, der in der Druckwand gelagert ist, ist fast fertig. Er wurde aus Kohlefaser-verstärktem Kunststoff (CFRP) mit einer Wandstärke von nur 30 mm hergestellt. Die Fasern wurden in verschiedenen Richtungen um eine Form gewickelt, um hohe Festigkeit und Belastbarkeit zu erzielen. Ein ca. 1 m langes Stück des hier gezeigten Tubus wird zur Bestimmung der mechanischen Werte später abgetrennt.

Oktober 2000: Politur des Primärspiegels

Die mechanischen Arbeiten am Primärspiegel nähern sich dem Ende. Nach der Leichtgewichtung und dem Ankleben von Halterungen wurde die Oberfläche des Primärspiegels zu einem Paraboloid geschliffen. Im Moment finden die letzten Politurarbeiten statt. Bevor das Teleskop zu wissenschaftlichen Messungen eingesetzt wird, wird die Oberfläche noch mit Aluminium beschichtet werden.

Dezember 2000: Mehr zur Teleskopaufhängung

Die Lagerung des SOFIA-Teleskops ist eine ganz entscheidende Sache. Bei der Firma Voest MCE in Österreich ist im Auftrag von MAN Technologie die Haupttragstruktur des Teleskops zusammengeschweißt worden (siehe Juli 2000). Die abgebildete Struktur wiegt 1.9 Tonnen und hat einem Durchmesser von 2.5 m. Die sprühenden Funken entstanden beim Beschleifen der Schweißnähte.

März 2001: Montage und Vermessung der Lagerringe

Beide Lagerringe sind in der "Inner Cradle" montiert und werden hier gerade vermessen. Die Lagerringe sind hochpräzise Teile: der Durchmesser von 1,2 m wird mit einer Genauigkeit von 16/1000 mm eingehalten. Zwischen den Ringen und der Lagerkugel, die den Nasmyth-Tubus hält, liegt ein Spalt mit nur einem ca. 30µm dicken Ölfilm. Damit ist die feine Bewegung des Teleskops um 3° in alle Richtungen möglich.

Januar 2002: Haltestruktur für den Primärspiegel

Die Haltestruktur aus Kohlefaser-verstärktem Kunststoff für die Spiegel des SOFIA-Teleskops ist fertig geworden. Sie wird in die offene Teleskopkabine eingebaut.

Starframe

Auf diesem Bild ist das sogenannte "Starframe" zu erkennen, der den Nasmyth-Tubus mit der Haltestruktur verbindet (Siehe oberes Bild.).

Mai 2002: Primärspiegel vollendet

Geschliffen und poliert wird der Primärspiegel hier von Dr. Lilienthal, Mitarbeiter des DLR, begutachtet: eine nahezu perfekte optische Oberfläche. Gut zu erkennen ist die wabenartige Struktur zur Gewichtserleichterung auf der Rückseite.

September 2002:
SOFIA-Teleskop kommt in den USA an

Das in Deutschland gebaute SOFIA-Teleskop wurde nun mit einem Airbus-Großraumflugzeug Beluga in die USA geflogen, um von den amerikanischen und deutschen Ingenieuren und Technikern in die Boeing 747 SP integriert zu werden. Auf dem Bild ist zu sehen, wie der Primärspiegel nach einer 7000 Meilen langen Reise auf dem texanischen Flughafen Waco aus dem Transportflugzeug geladen wird.

Schauen Sie oben auf dieser Seite im Bereich zum Flugzeug, um zu erfahren wie das Teleskop in das Flugzeug eingebaut wird.

Zwei Ingenieure der Firma Kayser-Threde entfernen im Flugzeug den Schutz des SOFIA Primärspiegels, um das Teleskop für die erste Sternenbeobachtung bereit zu machen:

Der Sekundär-Spiegel wird durch Personal der Firma Kayser-Threde im Flugzeug an das SOFIA Teleskop montiert und optisch justiert:

Das SOFIA-Teleskop besitzt keinen fest installierten Detektor, sondern kann je nach Aufgabenstellung mit verschiedenen Instrumenten betrieben werden. Das jeweilige Instrument ist an dem Flansch des Teleskops befestigt, der sich im Passagierraum des Flugzeugs befindet.
Für die erste Betriebsphase von SOFIA wurden neun Instrumente entwicklt, die unterschiedliche Meßtechniken anwenden, um den verschiedenste astronomische Aufgabenstellungen gerecht zu werden. Die Geräte lassen sich in drei Kategorien einteilen:

Ein wichtiges Merkmal der Geräte ist das Auflösungsvermögen, also die Fähigkeit, Strahlung benachbarter Wellenlängen trennen zu können. In dieser Übersicht sind die einzelnen First Generation SOFIA-Instrumente mit ihrem Auflösungsvermögen über dem abgedeckten Wellenlängenbereich dargestellt.

1σ Linienfluß in 1 Stunde entspricht ~3 x 10^-18 Wm^-2 bei R = 10³ und bei 10 μm