太空望远镜的内部结构 (太空望远镜原理)

事实上,太空望远镜和航天器都可以使用太空组装技术来进行组装。虽然还有很多技术问题的存在,但是大部分的准备工作已完成,而且太空望远镜可以在太空中得到维修和升级。机器人和机械臂能够在这个过程中提供很大的帮助。

出品:太空伊卡洛斯

无论是在地球还是太空,对望远镜的需求都是越大越好。但对于巨型太空望远镜来说,很难找到合适的发射器,所以它们只能被折叠放进5米高的发射整流罩。而接下来的詹姆斯·韦伯太空望远镜是发射太空的最大限制。所以为了更好地探索太空,下一代望远镜将在太空中完成组装。在1990年时,哈勃太空望远镜是在发现号航天器中,完成了2.4米反射镜等设备的组装。而有着3.5米的主镜和其他仪器的赫歇尔红外天文台,差点放不进Ariane 5 ECA火箭4.6米高的发射整流罩中。超过5米还要会缩骨功,如果是更大的望远镜,就需要自带机械臂了,在轨道上自行进行组装。

太空上建望远镜,太空望远镜原理

图注:韦伯望远镜地面组装完成的模样,但是在火箭整流罩中可不是这样

太空上建望远镜,太空望远镜原理

图注:韦伯望远镜正在进行折叠“缩骨功”,以便安装到火箭整流罩中

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图注:初次折叠之后进行太空环境测试

配有6.5米镜子和巨大遮阳罩的下一代韦伯太空望远镜,也需要经过折叠放入Ariane 5火箭。当它到达日地拉格朗日L2点时,会开始组装所有结构。共有40种不同的结构需要经过多达20次的组装,并保证178个释放机制都能够运行。组装过程中不允许任何失误,一旦出现差错则无法挽回。在下一次十年调查中,天文学中最需要解决的难题,以及解决难题所需的设备将成为科学目标。不管怎样,接下来的望远镜肯定是超巨型的,它们很难被折叠放进5米的发射整流罩内,所以必须要在太空中进行组装。

韦伯太空望远镜和广域红外探测望远镜,它们将作为哈勃太空望远镜的接班者。美国宇航局在2018年5月时,开始使用天基构造方法来研究望远镜太空组装技术,这项研究与多个机构合作,为了找出巨型望远镜在太空中组装的最佳时间和完善该技术。

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图注:韦伯望远镜整合到火箭整流罩中

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图注:韦伯望远镜在整流罩中的模样,就像一个会缩骨功的机器

在太空组装技术几十年的发展历史中,最成功的任务便是国际空间站的组装。该组装过程长达二十年,经历过三十多次的独立组装,在宇航员和远程机械臂的共同努力下,所有模块在空间站中都完成固定。在这个过程中,还有许多技术、硬件等需要改善的地方。哈勃太空望远镜也是很成功的例子,在这次组装过程中,技术和硬件等地方都进行了改良。抛开人类,机器人在国际空间站和哈勃太空望远镜的日常维护中,扮演了很重要的角色,它能与运输用品的太空舱进行对接。

为了解决太空组装最佳时间的问题,研究人员设计了巨型太空望远镜,并在地面将天基构造方法和传统构造方法进行了对比。它是一个直径为5-20米的望远镜,并能够看到各种光线的波长,这是目前所有发射整流罩都无法容纳的大小。直径为20米的望远镜将被发射到日地拉格朗日L2点,并且能够对系外行星进行观测。像结构框架、望远镜镜段等所有组件,都需要放入5米的发射整流罩中。航天器总线以及其他电子设备和机械臂会被发射到装配轨道,接下来,其他组件也会一一进入装配轨道,机械臂对它们进行组装。在完成组装后,能够用较少的推进剂到达日地拉格朗日L2点,然后望远镜就可以开始运行和观测。

太空上建望远镜,太空望远镜原理

图注:哈勃望远镜在地面进行折叠,以便放入航天飞机货舱内

太空上建望远镜,太空望远镜原理

图注:哈勃望远镜在地面进行折叠,以便放入航天飞机货舱内

事实上,太空望远镜和航天器都可以使用太空组装技术来进行组装。虽然还有很多技术问题的存在,但是大部分的准备工作已完成,而且太空望远镜可以在太空中得到维修和升级。机器人和机械臂能够在这个过程中提供很大的帮助。将望远镜分成多个部分时,可以节约一些要素的成本,但为了使韦伯太空望远镜被放进发射整流罩,工程师需要花费更多成本来建立最轻的释放机制。在超重型火箭中,极限就是经过折叠的直径为15米的望远镜,但如果是在太空中组装,那么这个望远镜的规模就可以无限大。

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图注:整流罩中的卫星

在太空中组装的望远镜,因为有机械臂的存在,执行维修和补充燃料任务都非常容易。机械臂在完成任务时会进入休眠阶段,直到望远镜需要进行维修等操作时才会被唤醒。还有将望远镜分成多个部分,可以保证在火箭发射失败时,机构失去的只有单个组件而不是整个望远镜。研究人员表示太空组装技术与物理定律相符,而且从总体来说,太空组装技术可以节约很多成本和维修费用。但目前,美国宇航局表示太空组装技术需要进一步验证,然后才能够执行任务。成功发射韦伯太空望远镜后,太空望远镜就结束了地面组装的时代,迎来太空组装的新时代,并且随着科技的发展,未来的太空望远镜的体积将会越来越庞大。