Будущие космические телескопы будут построены в космосе
Это захватывающее время для астрономов и космологов. Со времен космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) астрономы получили самые яркие и подробные изображения Вселенной, когда-либо сделанные. Мощные тепловизоры, спектрометры и коронографы Уэбба позволят в ближайшем будущем сделать еще больше, включая все, от обзоров ранней Вселенной до прямых исследований экзопланет. Кроме того, в ближайшие годы будут введены в эксплуатацию несколько телескопов следующего поколения с 30-метровыми главными зеркалами, адаптивной оптикой, спектрометрами и коронографами.
Даже с этими впечатляющими инструментами астрономы и космологи с нетерпением ждут эпохи, когда будут доступны еще более сложные и мощные телескопы. Например, Захари Кордеро из Массачусетского технологического института (MIT) недавно предложил телескоп со 100-метровым (328 футов) главным зеркалом, которое можно было бы автономно сконструировать в космосе и придать форму с помощью электростатических приводов. Его предложение было одной из нескольких концепций, выбранных в этом году программой NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) для первого этапа разработки.
Кордер является профессором по развитию карьеры Boeing в области аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте, а также членом Лаборатории аэрокосмических материалов и конструкций (AMSL) и Центра малых спутников. Его исследования объединяют его опыт в области обработки, механики и дизайна для разработки новых материалов и структур для новых аэрокосмических приложений. Его предложение является результатом сотрудничества с профессором Джеффри Лэнгом (из Лабораторий электроники и микросистемных технологий Массачусетского технологического института) и командой из трех студентов AMSL, включая доктора философии. студент Харш Гиришбхай Бхундия.
Предлагаемый ими телескоп решает ключевую проблему с космическими телескопами и другими крупными полезными нагрузками, которые упаковываются для запуска, а затем выводятся на орбиту. Короче говоря, компромисс между размером и точностью поверхности ограничивает диаметр развертываемых космических телескопов десятками метров. Рассмотрим недавно запущенный космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), самый большой и самый мощный телескоп, когда-либо отправленный в космос. Чтобы поместиться в обтекатель полезной нагрузки (на ракете Ariane 5), телескоп был спроектирован таким образом, чтобы его можно было сложить в более компактную форму.
Это включало его главное зеркало, вторичное зеркало и солнцезащитный козырек, которые разворачивались, когда космический телескоп находился на орбите. Между тем, главное зеркало (самое сложное и мощное из когда-либо развернутых) имеет диаметр 6,5 метра (21 фут). Его преемник, Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), будет иметь аналогичный складной узел и главное зеркало диаметром от 8 до 15 метров (от 26,5 до 49 футов) — в зависимости от выбранной конструкции (LUVOIR-A или — Б). Как Бхундия объяснил Universe Today по электронной почте:
«Сегодня большинство антенн космических аппаратов развернуто на орбите (например, антенна Astromesh от Northrop Grumman) и оптимизированы для достижения высоких характеристик и усиления. Однако у них есть ограничения: 1) это пассивные развертываемые системы. адаптивно изменяют форму антенны. 2) Их становится трудно поворачивать по мере увеличения их размера. 3) Они обнаруживают компромисс между диаметром и точностью. Т. е. их точность снижается по мере увеличения их размера, что является проблемой для астрономических и сенсорных приложений. которые требуют как больших диаметров, так и высокой точности (например, JWST)».
Хотя для преодоления этих ограничений было предложено множество методов строительства в космосе, подробный анализ их эффективности для создания прецизионных конструкций (например, отражателей большого диаметра) отсутствует. Ради своего предложения Кордеро и его коллеги провели количественное системное сравнение материалов и процессов для производства в космосе. В конечном итоге они определили, что это ограничение можно преодолеть с помощью передовых материалов и нового метода производства в космосе, называемого гибкой. Этот метод, изобретенный исследователями из AMSL и описанный в недавней статье, написанной в соавторстве с Бхундией и Кордеро, основан на сочетании обработки деформации с числовым программным управлением (ЧПУ) и иерархических высокопроизводительных материалов. Как объяснил Харш:
«Гибка — это процесс изготовления трехмерных каркасных конструкций из исходной металлической проволоки. Он работает путем сгибания одной нити проволоки в определенных узлах и под определенными углами, а также добавления соединений к узлам для создания жесткой конструкции. Таким образом, для изготовления заданную структуру, вы преобразуете ее в инструкции по изгибу, которые могут быть реализованы на машине, такой как станок для гибки проволоки с ЧПУ, для изготовления ее из одной нити исходного сырья.Ключевым применением формования изгиба является изготовление опорной конструкции для большой антенны на орбите. , Процесс хорошо подходит для этого приложения, потому что он маломощный, может изготавливать конструкции с высоким коэффициентом уплотнения и практически не имеет ограничений по размеру».
В отличие от других подходов к сборке и производству в космосе, гибка требует мало энергии и уникально возможна благодаря чрезвычайно низкотемпературной среде космоса. Кроме того, этот метод позволяет создавать интеллектуальные конструкции, в которых используются многофункциональные материалы для достижения новых сочетаний размера, массы, жесткости и точности. Кроме того, получившиеся интеллектуальные конструкции используют многофункциональные материалы для достижения беспрецедентного сочетания размера, массы, жесткости и точности, ломая парадигмы проектирования, которые ограничивают обычные фермы или пространственные конструкции с выравниванием по напряжению. В дополнение к своей естественной точности, большие изогнутые конструкции могут использовать свои электростатические приводы для контурирования поверхности отражателя с субмиллиметровой точностью. Это, по словам Харша, повысит точность их изготовленной антенны на орбите:
«Метод активного управления называется электростатическим приведением в действие и использует силы, создаваемые электростатическим притяжением, для точного придания металлической сетке изогнутой формы, которая действует как отражатель антенны. Мы делаем это, прикладывая напряжение между сеткой и «командной поверхностью». который состоит из изогнутой опорной конструкции и развертываемых электродов. Регулируя это напряжение, мы можем точно сформировать поверхность отражателя и получить параболическую антенну с высоким коэффициентом усиления».
Харш и его коллеги пришли к выводу, что этот метод позволит создать развертываемое зеркало диаметром более 100 метров (328 футов), которое может обеспечить точность поверхности 100 м/м и удельную площадь более 10 м2/кг. Эта возможность превзойдет существующие технологии микроволновой радиометрии и может привести к значительному улучшению прогнозов штормов и лучшему пониманию атмосферных процессов, таких как гидрологический цикл. Это будет иметь серьезные последствия для наблюдения за Землей и изучения экзопланет.
Команда недавно продемонстрировала 1-метровый (3,3 фута) прототип электростатического отражателя с изогнутой опорной конструкцией на научно-технической конференции Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA) 2023 года, которая проходила с 23 по 27 января в Национальной гавани. , Мэриленд. С помощью этого гранта NIAC Фазы I команда планирует усовершенствовать технологию с конечной целью создания рефлектора для микроволновой радиометрии.
Забегая вперед, команда планирует изучить, как можно использовать формирование изгиба на геостационарной орбите (GEO) для создания рефлектора микроволновой радиометрии с полем зрения 15 км (9,3 мили), разрешением на местности 35 км (21,75 мили) и предлагаемой частотный диапазон от 50 до 56 ГГц — сверхвысокочастотный и сверхвысокочастотный диапазон (СВЧ/КВЧ). Это позволит телескопу получать температурные профили атмосфер экзопланет, что является ключевой характеристикой, позволяющей астробиологам измерять обитаемость.
«Наша цель с NIAC сейчас — работать над внедрением нашей технологии Bend-Forming и электростатического срабатывания в космосе», — сказал Харш. «Мы предполагаем изготовление антенн диаметром 100 м на геостационарной орбите с изогнутой опорной конструкцией и электростатическими отражающими поверхностями. Эти антенны позволят создать новое поколение космических аппаратов с улучшенными возможностями обнаружения, связи и мощности».
