Судьба телескопов в космосе теперь выглядит лучше, поскольку они проектируются так, чтобы их можно было использовать. Исследователи разработали план обслуживания, который может быть применен к будущим космическим обсерваториям на основе текущих миссий, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба и «Гайя» Европейского космического агентства.
«Хотя следующее поколение больших космических телескопов разрабатывается с учетом удобства эксплуатации, с их реализацией возникают огромные проблемы», — сказал Зигфрид Эггл, профессор аэрокосмической техники в Инженерном колледже Грейнджера Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне.
Одна проблема — расстояние. Современные космические телескопы размещены в точке Лагранжа Солнце-Земля L.2который находится примерно в миллионе миль от Земли. Он движется вместе с Землей, поэтому до него легче добраться, но он все равно очень далеко, что делает транспортировку трудоемкой и дорогой. Относительно тихая обстановка с низким уровнем помех в точке Лагранжа L.2 означает, что такие миссии, как «Гайя», оказывают огромное влияние на астрономию и планетологию, но, по словам Эггла, поездка того стоит.

Эггл сказал: «Гея похожа на вращающийся цилиндр с солнечной панелью. он инкапсулирован, поэтому не был поврежден, но после десяти лет эксплуатации у него заканчивается топливо. Рутвик Боммена разработал новую концепцию, чтобы добавить своего рода насадку, похожую на паука, которая может продлить срок ее службы, не препятствуя сбору данных. «Гайя» скоро будет выведена из эксплуатации, поэтому времени, чтобы добраться до нее, недостаточно, но «Джеймс Уэбб» все еще может быть возможен, потому что он будет работать еще несколько лет, и они могут решить продлить его миссию».
Он пояснил, что телескоп Джеймса Уэбба имеет неэкранированные сегментированные зеркала, некоторые из которых уже были повреждены при ударе микрометеоритами. Вся зеркальная поверхность JWST имеет диаметр шесть метров. Следующий большой телескоп будет примерно вдвое больше.

«Мы стараемся быть на шаг впереди, поэтому у нас есть план, например, по замене разбитых зеркал. Если мы этого не сделаем, это все равно, что купить дорогую спортивную машину, а затем выбросить ее, когда в ней кончится бензин».
Еще один аспект, над которым работает Боммена, — это операции безопасного приближения.
«Космический корабль, отправленный для ремонта или дозаправки телескопа, должен затормозить, когда достигнет его», — сказал Боммена. «Использовать двигатели для замедления было бы все равно, что направлять паяльную лампу на телескоп. Не стоит поступать так с такой хрупкой структурой, как телескопическое зеркало. Как нам туда добраться, не поджегнув все это?»

Робин Вулландс, которая также является профессором аэрокосмической техники в Университете штата Иллинойс, сказала, что одной из главных целей, которых они достигли в этой работе, было нахождение траектории, позволяющей добраться туда дешево, не полагаясь на большие, непомерно дорогие ракеты.
«К счастью, добраться туда возможно благодаря некоторым скрытым магистралям в нашей Солнечной системе. У нас есть траектория, оптимальная для размера космического корабля, необходимого для ремонта JWST», — сказала она.
доктор философии Студент Алекс Паскарелла разработал новую технику быстрой выборки пространства решений, которая может сократить время вычислений.
«Новинка заключается в том, как мы объединили два отдельных подхода к проектированию траекторий: теорию динамических систем и теорию оптимального управления», — сказал Паскарелла.
Паскарелла сказал, что традиционный подход к проектированию траекторий в системах многих тел, таких как система Солнце-Земля, основан на вычислении инвариантных многообразий орбиты: многообразия — это пути в космосе, которые естественным образом приводят космический корабль на заданную орбиту. Это отличный подход, который успешно используется на протяжении десятилетий как в академических исследованиях, так и в реальных приложениях.

«Это становится немного сложнее, когда вы пытаетесь встретиться с целевым космическим кораблем в определенном месте в пространстве/времени вместо того, чтобы достичь целевой орбиты, и вы имеете дело с космическим кораблем с малой тягой, двигатель которого работает в течение длительных периодов времени, а не на целевую орбиту. к космическому кораблю с более мощными двигателями, работающими на очень короткие всплески.
«Наша методика основана на немного другой идее. Сначала мы исследуем пространство решений, распространяя выборку решений — либо без какой-либо тяги, либо с очень простым законом управления тягой — и отмечаем, насколько близко они проходят к желаемому пункту назначения», — сказал Паскарелла.
Он добавил, что, поскольку тип орбиты, которую они пытаются достичь, порождает многообразие, они знают, что по крайней мере некоторые из их первоначальных предположений будут близки к желаемой орбите.
«После того, как мы создадим карту начальных решений, мы используем теорию оптимального управления для создания оптимальных сквозных траекторий», — сказал Паскарелла. «Оптимальное управление позволяет нам находить траектории, ведущие к Земле, и встречаться с нашим космическим телескопом за минимальное время. Первоначальная выборка пространства решений имеет фундаментальное значение: задачи оптимального управления, как известно, трудно решить, поэтому нам нужно хорошее начальное предположение для работы».
Эггл сказал, что план по ремонту/заправке «Гайи» представляет собой законченный проект, который можно реализовать. Для телескопа Джеймса Уэбба необходимы дополнительные инженерные разработки.
Исследование Алекса Паскареллы, Рутвика Боммены, Зигфрида Эггла и Робин Вулландс «Проектирование миссии по обслуживанию космических телескопов на орбите Солнце-Земля L2» опубликовано в журнале. Акта Астронавтика . DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.08.031
Эту работу поддержали НАСА и Аэрокосмическая корпорация.