Телескопы в космосе имеют главное преимущество перед телескопами на Земле: они могут видеть Вселенную более четко. Атмосфера Земли, погодные условия и низколетящие спутники не ограничивают их видимость. Но у космических телескопов есть и недостаток. Их невозможно отремонтировать, по крайней мере, с тех пор, как в 2011 году завершилась программа космических шаттлов НАСА.
Но телескопы следующего поколения планируются с учетом миссий по обслуживанию роботов. И не только на низкой околоземной орбите, где космический телескоп «Хаббл» за время своего существования пять раз ремонтировался и модернизировался экипажами космических шаттлов. Сегодняшние инженеры готовят способы ремонта телескопов в космосе, в том числе в точке Лагранжа L2 Солнце-Земля.
L2 в настоящее время является домом космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и миссии ЕКА Gaia. В таком положении Земля находится между Солнцем и телескопами, обеспечивая им оптимальные условия для наблюдения за Вселенной.
«Хотя ни Gaia, ни JWST не были специально разработаны с учетом ремонтопригодности, разрабатываемые в настоящее время космические телескопы следующего поколения включают ремонтопригодность в свои базовые конструкции», — пишут авторы новой статьи группы инженерного колледжа Грейнджера Университета Иллинойса в Урбане. Шампанское.
Служебные космические корабли могли бы подключаться к заброшенным телескопам и привозить дополнительное топливо, управлять реактивными колесами или даже ремонтировать поврежденные зеркала и другие ключевые компоненты.
Но это непростая задача.
Команда Университета Иллинойса, в которую входили профессора Зигфрид Эггл и Рутвик Боммена, использовала Gaia и JWST в качестве подопытных для разработки жизнеспособной служебной миссии.
«Гея похожа на вращающийся цилиндр с солнечной панелью. Он инкапсулирован, поэтому не поврежден, но после десяти лет эксплуатации у него кончается топливо», — сказал Эггл в пресс-релизе. «Рутвик Боммена разработала новую концепцию, позволяющую добавить своего рода паукообразное приспособление, которое может продлить срок его службы, не влияя на сбор данных. «Гайя» скоро будет выведена из эксплуатации, поэтому времени, чтобы добраться до нее, недостаточно, но «Джеймс Уэбб» все еще может быть возможен, поскольку он будет находиться в эксплуатации еще несколько лет, и они могут решить продлить свою миссию».
В открытые зеркала JWST несколько раз попадали микрометеориты, что повлияло на качество наблюдений.
«Мы стараемся всегда быть на шаг впереди, поэтому, например, есть план 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», — говорит Эггл.
Одним из самых больших препятствий для миссий по обслуживанию на большие расстояния является проектирование траектории встречи с целью.
«Космический корабль, отправленный для ремонта или дозаправки телескопа, должен замедлиться, когда достигнет его», — сказал Боммена. «Использовать двигатели для замедления — это все равно, что направлять паяльную лампу на телескоп. Не следует делать этого с такой хрупкой конструкцией, как зеркало телескопа. Как нам добраться туда и не поджечь все это?»
Кроме того, команда работает над оптимизацией топливной эффективности и затрат на такую миссию.
Как объясняет профессор Робин Уолландс, другой автор статьи: «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.
Эти «скрытые магистрали» представляют собой геометрически оптимальные пути, которые используют орбитальную механику, чтобы сделать встречу безопасной и экономически эффективной. Команда разработала новый метод расчета и оценки этих оптимальных путей.
«После создания карты первоначальных решений мы используем теорию оптимального управления для генерации оптимальных сквозных траекторий», — сказал аспирант Алекс Паскарелла. «Оптимальное управление позволяет нам находить траектории, которые начинаются вблизи Земли и встречаются с нашим космическим телескопом в кратчайшие сроки. Первоначальная выборка пространства решений имеет фундаментальное значение: задачи оптимального управления, как известно, трудно решить, поэтому для работы нам нужна хорошая начальная оценка.
«Новинка заключается в том, что мы объединили два отдельных подхода к проектированию траекторий: теорию динамических систем и теорию оптимального управления», — добавил Паскарелла.
Если подобные команды проложат новые пути, срок службы космических телескопов может быть продлен намного дольше, чем их первоначальный срок годности, и это хорошая новость для астрофизиков и космических программ во всем мире.
Узнать больше:
Алекс Паскарелла, Рутвик Боммена, Зигфрид Эггл, Робин Вулландс, «Разработка миссии по обслуживанию космических телескопов на станции Солнце-Земля L2».
«Проект миссии по обслуживанию телескопов в космосе». EurekAlert.
