Przyszłe teleskopy kosmiczne są projektowane z myślą o łatwiejszej obsłudze i skupieniu się na pokonywaniu wyzwań, takich jak odległe lokalizacje i ograniczone paliwo.
Nowe metody obejmują operacje w bezpiecznej odległości i efektywne planowanie trajektorii, aby potencjalnie wydłużyć żywotność misji takich jak James Webb i Gaia.
Postęp w zakresie serwisowania teleskopów kosmicznych
Teleskopy kosmiczne stają się coraz bardziej zrównoważone dzięki nowym projektom skupiającym się na łatwości użytkowania. Naukowcy opracowali plan konserwacji przyszłych obserwatoriów kosmicznych, czerpiąc wnioski z misji takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i Europejska Agencja Kosmicznajest Gaja.
„Chociaż następną generację dużych teleskopów kosmicznych projektuje się z myślą o łatwości użytkowania, ich wdrożenie wiąże się z ogromnymi wyzwaniami” – wyjaśnił Siegfried Eggl, profesor inżynierii lotniczej w Grainger College of Engineering na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign.
Wyzwania związane z obsługą teleskopów odległych
Jednym z głównych wyzwań jest odległość. Nowoczesne teleskopy są umieszczone w punkcie Lagrange’a L2 Słońca-Ziemi, mniej więcej milion mil od Ziemi. Chociaż ta lokalizacja porusza się w synchronizacji z Ziemią, czyniąc ją nieco bardziej dostępną, sama odległość sprawia, że transport jest zarówno czasochłonny, jak i kosztowny. Pomimo tych wyzwań Lagrange Point L2 oferuje ciche środowisko o niskim poziomie zakłóceń, które znacznie zwiększa skuteczność misji takich jak Gaia, co zdaniem Eggl uzasadnia taki wysiłek.
Eggl powiedział: „Gaia jest jak obracający się cylinder z panelem słonecznym. jest hermetyczny, więc nie został uszkodzony, ale po dziesięciu latach pracy zaczyna brakować mu paliwa. Ruthvik Bommena opracował nowatorską koncepcję dodania czegoś w rodzaju pająka, który może przedłużyć jego żywotność bez utrudniania gromadzenia danych. Gaia zostanie wkrótce wycofana ze służby, więc nie ma wystarczająco dużo czasu, aby do niej dotrzeć, ale James Webb może nadal być możliwy, ponieważ będzie działał jeszcze przez kilka lat i być może zadecydują o przedłużeniu swojej misji”.
Wyjaśnił, że teleskop Jamesa Webba ma nieosłonięte, segmentowe zwierciadła, z których część została już uszkodzona w wyniku uderzenia mikrometeorytów. Cała lustrzana powierzchnia JWST ma sześć metrów średnicy. Następny duży teleskop będzie około dwa razy większy.
„Staramy się być o krok do przodu, dlatego planujemy na przykład wymianę stłuczonych lusterek. Jeśli tego nie zrobimy, będzie to jak kupno drogiego samochodu sportowego, a potem wyrzucenie go, gdy skończy się paliwo”.
Bezpieczne operacje zbliżeniowe: unikanie uszkodzeń
Kolejnym aspektem, nad którym pracuje Bommena, są operacje związane z bezpieczną odległością.
„Statek kosmiczny wysłany w celu naprawy lub zatankowania teleskopu musi zahamować, gdy do niego dotrze” – powiedział Bommena. „Używanie silników odrzutowych do zwalniania byłoby jak skierowanie lampy lutowniczej w teleskop. Nie chcesz tego robić z delikatną strukturą, taką jak lustro teleskopowe. Jak się tam dostaniemy, nie spalając wszystkiego?
Robyn Woollands, która jest także profesorem inżynierii lotniczej na Uniwersytecie I, powiedziała, że jednym z głównych celów, jakie osiągnęli dzięki tej pracy, było znalezienie trajektorii umożliwiającej tanie dotarcie tam bez konieczności korzystania z dużych, kosztownych rakiet.
„Na szczęście dotarcie tam jest wykonalne dzięki ukrytym autostradom w naszym Układzie Słonecznym. Mamy trajektorię optymalną ze względu na wielkość statku kosmicznego potrzebnego do naprawy JWST” – powiedziała.
Nowatorskie techniki projektowania trajektorii
Doktorat student Alex Pascarella opracował nowatorską technikę szybkiego próbkowania przestrzeni rozwiązań, która może skrócić czas obliczeń.
„Nowość polega na tym, że połączyliśmy dwa odrębne podejścia do projektowania trajektorii: teorię systemów dynamicznych i teorię optymalnego sterowania” – powiedział Pascarella.
Pascarella powiedział, że tradycyjne podejście do projektowania trajektorii w układach wielociałowych, takich jak układ Słońce-Ziemia, opiera się na obliczaniu niezmiennych rozmaitości orbity — rozmaitości to ścieżki w przestrzeni, które w naturalny sposób prowadzą statek kosmiczny na daną orbitę. To świetne podejście, które jest z powodzeniem stosowane od dziesięcioleci, zarówno w badaniach akademickich, jak i zastosowaniach w życiu codziennym.
„To staje się nieco trudne, gdy próbujesz spotkać się z docelowym statkiem kosmicznym w określonym miejscu w przestrzeni/czasie, zamiast dotrzeć do docelowej orbity, i masz do czynienia ze statkiem kosmicznym o niskim ciągu, którego silnik działa przez długie okresy czasu, w przeciwieństwie do do statku kosmicznego z mocniejszymi silnikami odrzutowymi, które działają w przypadku bardzo krótkich serii.
„Nasza technika opiera się na nieco innym pomyśle. Najpierw badamy przestrzeń rozwiązań, propagując próbkę rozwiązań – albo bez ciągu, albo z bardzo prostym prawem kontroli ciągu – i zauważamy, jak blisko zbliżają się one do pożądanego miejsca docelowego” – powiedział Pascarella.
Dodał, że ponieważ typ orbity, do której próbują dotrzeć, powoduje powstawanie rozmaitości, wiedzą, że przynajmniej niektóre z ich początkowych szacunków będą zbliżone do pożądanej orbity.
„Po utworzeniu mapy rozwiązań początkowych używamy teorii sterowania optymalnego, aby wygenerować optymalne trajektorie od końca do końca” – powiedział Pascarella. „Optymalna kontrola pozwala nam znaleźć trajektorie rozpoczynające się w pobliżu Ziemi i dotrzeć do naszego teleskopu kosmicznego w najkrótszym czasie. Początkowe próbkowanie przestrzeni rozwiązań ma fundamentalne znaczenie — problemy ze sterowaniem optymalnym są niezwykle trudne do rozwiązania, dlatego potrzebujemy przyzwoitych wstępnych szacunków, z którymi będziemy mogli pracować.
W kierunku praktycznego wdrożenia
Eggl powiedział, że plan naprawy/tankowania Gai to kompletny projekt, który można wdrożyć. W przypadku teleskopu Jamesa Webba potrzebne są dalsze prace inżynieryjne.
Odniesienie: „Projekt misji serwisowania teleskopu kosmicznego na Słońcu – Ziemia L2” autorstwa Alexa Pascarelli, Ruthvika Bommeny, Siegfrieda Eggla i Robyn Woollands, 22 sierpnia 2024 r., Acta Astronautyka.
DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.08.031
Dzieło to wsparł NASA i Korporacja Kosmiczna.
