未來太空望遠鏡的設計更易於維修重點是應對距離和易損性等挑戰
未來太空望遠鏡的設計更容易維修,重點在於克服偏遠地區和燃料有限等挑戰。新方法包括安全的近距離操作和高效的軌跡規劃,有可能延長詹姆斯-韋伯(James Webb)和蓋亞(Gaia)等已有任務的壽命。

太空望遠鏡越來越多地採用可維護性設計,以應對距離和易損性等挑戰。 研究人員正在開發創新的解決方案,例如利用模組化配件延長望遠鏡的使用壽命,設計安全的近距離操作以避免在維修過程中造成傷害。 圖片來源:伊利諾大學厄巴納-香檳分校格雷格工程學院編輯
由於採用了注重可維護性的新設計,太空望遠鏡正變得更具永續性。 研究人員從詹姆斯韋伯太空望遠鏡和歐空局的蓋亞等任務中汲取靈感,為未來的太空天文台製定了維護計劃。
伊利諾大學厄巴納-香檳分校Grainger 工程學院航空航天工程教授Siegfried Eggl 解釋說:”儘管下一代大型太空望遠鏡在設計時考慮到了可維護性,但在實施過程中仍面臨巨大挑戰。”
一個主要挑戰是距離。 現代望遠鏡位於日地拉格朗日點L2,距離地球約一百萬英里。 雖然這個位置與地球同步移動,使其在某種程度上更容易到達,但由於距離太遠,運輸物料既費時又昂貴。 儘管有這些挑戰,拉格朗日點L2 提供了一個安靜、低幹擾的環境,大大增強了像蓋婭這樣的任務的影響力,埃格爾認為這樣的努力是值得的。
埃格爾說:”蓋亞就像一個帶有太陽能電池板的旋轉圓筒。它被封裝起來,所以沒有受到損壞,但在外面漂泊了十年之後,它的燃料已經不多了。魯特維克-博梅納設計了一個新穎的概念,即添加一種蜘蛛狀的附件,既能延長它的壽命,又不妨礙它的數據收集。蓋亞很快就要退休了,所以沒有足夠的時間去接觸它,但詹姆斯-韋伯可能還有機會,因為它還將運行幾年,他們可能會決定延長它的任務期限。
他解釋說,詹姆斯-韋伯望遠鏡的鏡面是無屏蔽的分段鏡面,其中一些鏡面在受到微隕石撞擊時已經損壞。 JWST 的整個鏡面直徑為6 公尺。 下一個大型望遠鏡將是這個尺寸的兩倍。
“我們正試圖領先一步,以便有計劃地更換破損的反射鏡等。 如果我們不這樣做,就好比買了一輛昂貴的跑車,當它沒油的時候就像扔掉它一樣。”

蓋婭飛船與服務飛行器的CAD 模型,對接後的配置。 資料來源:伊利諾大學厄巴納-香檳分校Grainger 工程學院
博梅納公司的另一項工作是安全近距離作業。
博梅納說:”被送去修理望遠鏡或為其補充燃料的航天器在到達時需要製動。使用推進器減速就像用噴燈對準望遠鏡。你不會想對像望遠鏡鏡面這樣的精密結構這麼做的。 我們怎樣才能在不燒毀整個鏡面的情況下達到目的呢?
羅賓-沃蘭斯(Robyn Woollands)也是伊利諾大學的航空航天工程教授,他說,他們透過這項工作實現的主要目標之一,就是找到一條不依賴成本高昂的大型火箭就能廉價到達那裡的軌道。
“幸運的是,由於太陽系中一些隱藏的高速公路,到達那裡是可行的。 我們有一條最適合維修JWST 所需的航天器大小的軌跡,」她說。
博士生亞歷克斯-帕斯卡雷拉(Alex Pascarella)開發出了一種新技術,可快速採樣解空間,從而縮短計算時間。他說:”新穎之處在於我們將兩種不同的軌跡設計方法結合在一起:動力系統理論和最優控制理論。”
在多體系統(如太陽-地球系統)中進行軌道設計的傳統方法依賴於計算軌道的不變流形–流形是空間中的路徑,它自然地將太空船引向給定的軌道。 這是一種偉大的方法,在學術研究和實際應用中已經成功使用了幾十年。
“當你試圖在空間/時間的特定位置與目標航天器會合,而不是到達目標軌道時,你所面對的是低推力航天器,其發動機長時間工作,而不是擁有更強大推進器的航天器,其引擎工作時間很短,這變得有點具有挑戰性。 “帕斯卡雷拉說:”我們首先透過傳播解的樣本來研究解的空間–要么不使用任何推力,要么使用非常簡單的推力控制法則–然後我們注意它們與我們期望的目的地的接近程度。
他補充說,由於他們試圖達到的軌道類型會產生流形,因此他們知道至少有一些初始猜測會接近理想軌道:”在繪製出初始解圖後,我們利用最優控制理論生成最優的端到端軌跡。解決,因此我們需要一個合適的初始猜測。
埃格爾說,修復蓋亞/為其提供燃料的計劃是一個可以實施的完整設計,而詹姆斯-韋伯望遠鏡則需要更多的工程設計。
編譯自/ ScitechDaily