Przyszłe teleskopy kosmiczne mogą mieć szerokość do 100 metrów, być zbudowane w kosmosie i precyzyjnie zakrzywione

Przyszłe teleskopy kosmiczne mogą mieć szerokość do 100 metrów, być zbudowane w kosmosie i precyzyjnie zakrzywione

Graficzne przedstawienie modulacji zginania dużych struktur kosmicznych uruchamianych elektrostatycznie. Źródło: Zachary Cordero

To ekscytujący czas dla astronomów i kosmologów. Od czasów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) astronomowie mogli uzyskać najostrzejsze i najbardziej szczegółowe zdjęcia Wszechświata, jakie kiedykolwiek wykonano. Potężne kamery Webba w podczerwieni, spektrometry i kręgi koronowe pozwolą w najbliższej przyszłości na znacznie więcej, w tym wszystko, od przeglądów wczesnego Wszechświata po bezpośrednie badania obrazowe egzoplanet. Co więcej, w nadchodzących latach będzie działać wiele teleskopów nowej generacji z 30-metrowymi zwierciadłami głównymi, optyką adaptacyjną, spektrometrami i kręgami.


Nawet dysponując tymi imponującymi instrumentami, astronomowie i kosmolodzy nie mogą się doczekać ery, w której dostępne będą bardziej zaawansowane i wydajne teleskopy. Na przykład Zachary Cordero z Massachusetts Institute of Technology (MIT) niedawno zaproponował teleskop ze 100-metrowym zwierciadłem głównym, który byłby zbudowany niezależnie w przestrzeni i wygięty w kształt za pomocą siłowników elektrostatycznych. Jego propozycja była jedną z kilku koncepcji wybranych w tym roku przez program NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) do fazy 1 rozwoju.

Corder jest profesorem rozwoju kariery Boeinga na wydziale aeronautyki i astronautyki w MIT oraz członkiem Space Materials and Structures Laboratory (AMSL) i Small Satellite Center. Jego badania łączą wiedzę z zakresu nauki o procesach, mechaniki i projektowania w celu rozwoju Nowe materiały i architektury dla powstających aplikacji kosmicznych. Jego propozycja jest wynikiem współpracy z profesorem Jeffreyem Langiem (z MIT’s Electronics and Microsystems Technology Laboratories) oraz zespołem trzech studentów z AMSL, w tym z tytułem doktora. uczeń Harsh Jirishbhai Bundia.

Proponowany przez nich teleskop rozwiązuje poważny problem związany z pakowaniem teleskopów kosmicznych i innych dużych ładunków do wystrzelenia, a następnie wysyłaniem na orbitę. Krótko mówiąc, kompromisy w wielkości i rozdzielczości powierzchniowej ograniczają rozkładane teleskopy kosmiczne do średnicy 10 metrów. Weźmy pod uwagę niedawno wystrzelony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), największy i najpotężniejszy teleskop, jaki kiedykolwiek wysłano w kosmos. Aby pomieścić owiewkę ładunku (na szczycie rakiety Ariane 5), teleskop został zaprojektowany tak, aby można go było złożyć do bardziej zwartego kształtu.

Obejmowało to zwierciadło główne, zwierciadło wtórne i osłonę przeciwsłoneczną, z których wszystkie rozwinęły się, gdy teleskop kosmiczny wszedł na orbitę. Tymczasem zwierciadło główne (najbardziej złożone i najpotężniejsze ze wszystkich) ma średnicę 6,5 metra (21 stóp). Jego następca, Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR), będzie miał podobny składany układ i lustro główne Ma średnicę od 8 do 15 metrów (26,5 do 49 stóp) – w zależności od konkretnego projektu (LUVOIR-A lub -B). Jak Bhundiya wyjaśnił Universe Today za pośrednictwem poczty elektronicznej:

Obecnie większość anten statków kosmicznych jest rozmieszczonych na orbicie (np. antena Astromesh firmy Northrop Grumman) i jest zoptymalizowana pod kątem wysokiej wydajności i zysku. Mają one jednak ograniczenia: 1) Są pasywnymi systemami rozkładanymi. Oznacza to, że po rozmieszczeniu nie można zmienić kształt statku kosmicznego Antena adaptacyjnie .2) staje się trudna do przesunięcia wraz ze wzrostem jej rozmiaru 3) pojawia się kompromis między średnicą a dokładnością, tj. jej dokładność maleje wraz ze wzrostem jej rozmiaru, co jest trudne do osiągnięcia w astronomii i zastosowaniach czujnikowych które wymagają dużych średnic i wysokiej rozdzielczości (takie jak JWST).”

Chociaż zaproponowano kilka metod konstrukcji w kosmosie, aby przezwyciężyć te ograniczenia, brakuje szczegółowych analiz ich wydajności dla mikrostruktur budynków (takich jak reflektory o dużej średnicy). W ramach swojej propozycji Cordero i współpracownicy przeprowadzili ogólnosystemowe ilościowe porównanie materiałów i procesów do produkcji w kosmosie. Ostatecznie ustalili, że to ograniczenie można przezwyciężyć, stosując zaawansowane materiały i nową metodę produkcji opartą na przestrzeni kosmicznej, zwaną formowaniem zagięć.

Źródło: NASA

Technika, zapoczątkowana przez naukowców z AMSL i opisana w niedawnym artykule, którego współautorami są Bhundiya i Cordero, opiera się na połączeniu komputerowego sterowania numerycznego (CNC) i hierarchicznego przetwarzania deformacji. wysoka wydajność Materiały. Jak wyjaśnił Harsh:

Formowanie zginane to proces wytwarzania trójwymiarowych struktur drutowych z surowców z drutu metalicznego. Polega on na zginaniu pojedynczej żyły drutu w określonych węzłach i pod określonymi kątami oraz dodawaniu połączeń do węzłów w celu utworzenia sztywnej struktury. , można go przekształcić w instrukcję gięcia, którą można wykonać na maszynie, takiej jak giętarka do drutu CNC, aby wyprodukować ją z pojedynczego pasma surowca. Głównym zastosowaniem formowania gięcia jest wytwarzanie konstrukcji wsporczej dla dużej anteny w orbit Ten proces jest dobrze dopasowany do tego zastosowania, ponieważ tak jest Niski poziom energiiMoże wytwarzać konstrukcje o wysokim współczynniku kompresji i zasadniczo nie ma ograniczeń co do rozmiaru”.

W przeciwieństwie do innych metod montażu i produkcji w kosmosie, proces gięcia i formowania jest niskoenergetyczny i jest wyjątkowo możliwy dzięki ekstremalnie niskiej temperaturze środowiska kosmicznego. Ponadto technologia ta umożliwia inteligentnym konstrukcjom wykorzystującym materiały wielofunkcyjne w celu uzyskania nowych kombinacji rozmiaru, masy, sztywności i precyzji. Ponadto powstałe inteligentne konstrukcje wykorzystują materiały wielofunkcyjne, aby osiągnąć niespotykane dotąd kombinacje rozmiaru, masy, sztywności i precyzji, przełamując paradygmaty projektowe, które ograniczają tradycyjne kratownice lub konstrukcje przestrzenne kompatybilne z naprężeniami.

Oprócz natywnej precyzji, duże struktury o krzywoliniowym kształcie mogą wykorzystywać elektrostatyczne siłowniki do definiowania powierzchni odbijającej z dokładnością poniżej milimetra. Harsh powiedział, że zwiększy to dokładność sztucznej anteny na orbicie:

Przyszłe teleskopy kosmiczne mogą mieć szerokość do 100 metrów, być zbudowane w kosmosie i precyzyjnie zakrzywione

Ranking trzech egzoplanet w celu zbadania, jak atmosfery mogą wyglądać inaczej w oparciu o obecną chemię i napływający przepływ. Źródło: Jack H. Madden

„Metoda aktywnego sterowania nazywana jest aktywacją elektrostatyczną i wykorzystuje siły generowane przez przyciąganie elektrostatyczne do precyzyjnego kształtowania metalowej siatki w zakrzywiony kształt, który działa jak reflektor dla anteny. Robimy to poprzez przyłożenie napięcia między siatką a „sterowaniem” powierzchni”, która składa się z zakrzywionej konstrukcji nośnej i wysuwanych elektrod”. Dostrajając ten potencjometr, możemy precyzyjnie kształtować powierzchnię odbłyśnika i uzyskać paraboliczną antenę o dużym wzmocnieniu.

Harsh i współpracownicy doszli do wniosku, że ta technologia pozwoli na uzyskanie rozpraszającego lustra o średnicy ponad 100 m (328 stóp), które może osiągnąć rozdzielczość powierzchniową 100 m/m i określony obszar większy niż 10 m.2/ kg. Ta zdolność przewyższy istniejącą technologię radiometrii mikrofalowej i może doprowadzić do znacznej poprawy prognoz burzowych i lepszego zrozumienia procesów atmosferycznych, takich jak cykl hydrologiczny. Będzie to miało poważne implikacje dla obserwacji Ziemi i badań egzoplanet.

Zespół niedawno zademonstrował 1-metrowy (3,3 stopy) prototyp falownika elektrostatycznego z zakrzywioną konstrukcją wsporczą na konferencji naukowej Amerykańskiego Instytutu Aeronautyki i Astronautyki (AIAA) w 2023 r., która odbyła się w dniach 23-27 stycznia w National Harbor. , Maryland. W ramach tej pierwszej fazy grantu NIAC zespół planuje dopracować technologię, a ostatecznym celem będzie stworzenie odbłyśnika promieniowania mikrofalowego.

Patrząc w przyszłość, zespół planuje zbadać, w jaki sposób można zastosować modulację krzywizny na orbicie geostacjonarnej (GEO) w celu stworzenia radiometrycznego reflektora mikrofalowego o polu widzenia 15 kilometrów (9,3 mil) i rozdzielczości gruntu 35 kilometrów (21,75 mil). ) i proponowane. Zakres częstotliwości 50 do 56 GHz — zakres ultra wysokiej częstotliwości i ekstremalnie wysokiej częstotliwości (SHF / EHF). Umożliwi to teleskopowi pobranie profili temperatur z atmosfer egzoplanet, co jest kluczową właściwością, która pozwala astrobiologom mierzyć zdolność do zamieszkania.

„Naszym celem w NIAC jest teraz praca nad wdrożeniem naszej technologii gięcia i uruchamiania elektrostatycznego w kosmosie” – powiedział Harsh. „Przewidujemy produkcję anten o średnicy 100 metrów na orbicie geostacjonarnej z zakrzywioną konstrukcją wsporczą i powierzchniami odbijającymi elektrostatycznie. Anteny te umożliwią nowej generacji statki kosmiczne o zwiększonych możliwościach wykrywania, komunikacji i zasilania.”

cytat: Przyszłe teleskopy kosmiczne mogą mieć szerokość 100 metrów, być zbudowane w kosmosie, precyzyjnie zakrzywione wygięty.html

Niniejszy dokument podlega prawu autorskiemu. Poza wszelkimi uczciwymi transakcjami do celów prywatnych studiów lub badań, żadna część nie może być powielana bez pisemnej zgody. Treść jest udostępniana wyłącznie w celach informacyjnych.

READ  Linia Karmanna: oddzielająca przestrzeń od nieba

Elise Haynes

„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”

Rekomendowane artykuły

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *