Будущие космические телескопы проектируются так, чтобы их было проще обслуживать, с упором на преодоление таких проблем, как удаленность местоположения и ограниченность топлива. Новый подход включает в себя безопасные операции на близком расстоянии и эффективное планирование траектории, что потенциально продлит срок службы существующих миссий, таких как «Джеймс Уэбб» и «Гея».
Космические телескопы становятся более экологичными благодаря новым конструкциям, ориентированным на удобство обслуживания. Исследователи черпали вдохновение из таких миссий, как космический телескоп Джеймса Уэбба и «Гайя» ЕКА, для разработки планов технического обслуживания будущих космических обсерваторий.
«Хотя следующее поколение больших космических телескопов спроектировано с учетом ремонтопригодности, на этапе реализации остаются серьезные проблемы», — объяснил Зигфрид Эггл, профессор аэрокосмической техники инженерной школы Грейнджера Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Основная проблема – расстояние. Современный телескоп расположен в точке Лагранжа L2 Солнце-Земля, примерно в одном миллионе миль от Земли. Хотя это место движется синхронно с Землей, что облегчает доступ к нему, транспортировка материалов требует много времени и средств из-за большого расстояния. Несмотря на эти проблемы, точка Лагранжа L2 обеспечивает тихую среду с низким уровнем отвлекающих факторов, что значительно повышает эффективность таких миссий, как «Гайя», и Эггер считает, что усилия того стоят.
«Гея похожа на вращающийся цилиндр с солнечными батареями», — сказал Эггер. «Он заключен в капсулу, поэтому не поврежден, но после десяти лет скитаний снаружи у него заканчивается топливо. Люттвик-Бомена разработал новую концепцию, которая добавляет паука. «Гея» скоро будет выведена из эксплуатации, поэтому времени, чтобы получить к ней доступ, не будет достаточно, но у Джеймса Уэбба все еще может быть шанс, и, поскольку он все еще будет работать в течение нескольких лет, они могут решить продлить свою миссию».
Он пояснил, что зеркала телескопа Джеймса Уэбба представляют собой неэкранированные сегментированные зеркала, некоторые из которых были повреждены при ударе микрометеоритами. Весь диаметр зеркала JWST составляет 6 метров. Следующий большой телескоп будет в два раза больше.
«Мы пытаемся быть на шаг впереди, чтобы иметь возможность плановой замены разбитых зеркал и т. д. Если мы этого не сделаем, это все равно, что купить дорогую спортивную машину и выбросить ее, когда в ней кончится бензин».
Еще одно направление работы Бомены – безопасная закрытая работа.
«Космический корабль, отправляемый на ремонт или дозаправку телескопа, необходимо затормозить по прибытии», — сказал Бомена. «Использовать двигатели для замедления — это все равно, что направлять паяльную лампу на телескоп. Не стоит поступать так с такой хрупкой структурой, как зеркало телескопа. Как нам это сделать, не спалив все зеркало?»
Робин Вулландс, также профессор аэрокосмической техники в Университете Иллинойса, сказала, что одна из главных целей этой работы — найти траекторию, позволяющую добраться туда дешево, не полагаясь на большие и дорогостоящие ракеты.
«К счастью, добраться туда возможно благодаря некоторым скрытым магистралям в Солнечной системе. У нас есть траектория, оптимальная для размера космического корабля, необходимого для ремонта JWST», — сказала она.
Аспирант Алекс Паскарелла разработал новую методику, позволяющую быстро производить выборку пространства решений, тем самым сокращая время вычислений. «Новинка заключается в том, что мы объединяем два разных подхода к проектированию траекторий: теорию динамических систем и теорию оптимального управления», — сказал он.
Традиционные подходы к проектированию орбит в системах многих тел, таких как система Солнце-Земля, основаны на вычислении инвариантного многообразия орбиты: многообразие — это путь в космосе, который естественным образом приводит космический корабль на заданную орбиту. Это отличный подход, который десятилетиями успешно использовался как в академических исследованиях, так и в практических приложениях.
«Когда вы пытаетесь встретиться с целевым космическим кораблем в определенном месте в пространстве/времени, а не достичь целевой орбиты, и вы имеете дело с космическим кораблем с малой тягой, двигатели которого работают в течение длительного времени, в отличие от космического корабля с более мощным двигателем, двигатели которого работают в течение короткого времени, это становится немного сложной задачей. «Наша методика основана на немного другой идее», — сказал Паскарелла: «Сначала мы изучаем пространство решений путем распространения образцов. решения — либо без какой-либо тяги, либо с использованием очень простого закона управления тягой — а затем мы отмечаем, насколько они близки к желаемому пункту назначения».
Он добавляет, что, поскольку тип орбиты, которую они пытаются достичь, создает многообразие, они знают, что по крайней мере некоторые из первоначальных предположений будут близки к идеальной орбите: «После отображения первоначального решения мы используем теорию оптимального управления для создания оптимальных сквозных траекторий. Оптимальное управление позволяет нам находить траектории, которые начинаются около Земли и встречаются с нашим космическим телескопом в кратчайшие сроки. Первоначальная выборка пространства решений является фундаментальной - проблемы оптимального управления, как известно, трудно решить. поэтому нам нужно подходящее первоначальное предположение».
По словам Эггера, план по ремонту и заправке «Гайи» представляет собой законченный проект, который может быть реализован, в то время как телескоп Джеймса Уэбба потребует дополнительных инженерных разработок.
Составлено из /ScitechDaily