未来太空望远镜的设计更易于维修 重点是应对距离和易损性等挑战

未来太空望远镜的设计更易于维修，重点是克服偏远地区和燃料有限等挑战。新方法包括安全的近距离操作和高效的轨迹规划，有可能延长詹姆斯-韦伯（James Webb）和盖亚（Gaia）等已有任务的寿命。

太空望远镜越来越多地采用可维护性设计，以应对距离和易损性等挑战。 研究人员正在开发创新的解决方案，例如利用模块化附件延长望远镜的使用寿命，设计安全的近距离操作以避免在维修过程中造成伤害。 图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格雷格工程学院编辑

由于采用了注重可维护性的新设计，太空望远镜正变得更具可持续性。 研究人员从詹姆斯韦伯太空望远镜和欧空局的盖亚等任务中汲取灵感，为未来的太空天文台制定了维护计划。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Grainger 工程学院航空航天工程教授 Siegfried Eggl 解释说："尽管下一代大型太空望远镜在设计时考虑到了可维护性，但在实施过程中仍面临巨大挑战。"

一个主要挑战是距离。 现代望远镜位于日地拉格朗日点 L2，距离地球大约一百万英里。 虽然这个位置与地球同步移动，使其在某种程度上更容易到达，但由于距离太远，运输物料既费时又费钱。 尽管存在这些挑战，但拉格朗日点 L2 提供了一个安静、低干扰的环境，大大增强了像盖娅这样的任务的影响力，埃格尔认为这样的努力是值得的。

埃格尔说："盖亚就像一个带有太阳能电池板的旋转圆筒。它被封装起来，所以没有受到损坏，但在外面漂泊了十年之后，它的燃料已经不多了。 鲁特维克-博梅纳设计了一个新颖的概念，即添加一种蜘蛛状的附件，既能延长它的寿命，又不妨碍它的数据收集。 盖亚很快就要退役了，所以没有足够的时间去接触它，但詹姆斯-韦伯可能还有机会，因为它还将运行几年，他们可能会决定延长它的任务期限。"

他解释说，詹姆斯-韦伯望远镜的镜面是无屏蔽的分段式镜面，其中一些镜面在受到微陨石撞击时已经损坏。 JWST 的整个镜面直径为 6 米。 下一个大型望远镜将是这个尺寸的两倍。

"我们正试图领先一步，以便有计划地更换破损的反射镜等。 如果我们不这样做，就好比买了一辆昂贵的跑车，当它没油的时候就像扔掉它一样。"

盖娅飞船与服务飞行器的 CAD 模型，对接后的配置。 资料来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 Grainger 工程学院

博梅纳公司的另一项工作是安全近距离作业。

博梅纳说："被送去修理望远镜或为其补充燃料的航天器在到达时需要制动。使用推进器减速就像用喷灯对准望远镜。 你不会想对像望远镜镜面这样的精密结构这么做的。 我们怎样才能在不烧毁整个镜面的情况下达到目的呢？"

罗宾-沃兰斯（Robyn Woollands）也是伊利诺伊大学的航空航天工程教授，他说，他们通过这项工作实现的主要目标之一，就是找到一条不依赖成本高昂的大型火箭就能廉价到达那里的轨道。

"幸运的是，由于太阳系中一些隐藏的高速公路，到达那里是可行的。 我们有一条最适合维修 JWST 所需的航天器大小的轨迹，"她说。

博士生亚历克斯-帕斯卡雷拉（Alex Pascarella）开发出了一种新技术，可快速采样解空间，从而缩短计算时间。他说："新颖之处在于我们将两种不同的轨迹设计方法结合在一起：动力系统理论和最优控制理论。"

在多体系统（如太阳-地球系统）中进行轨道设计的传统方法依赖于计算轨道的不变流形--流形是空间中的路径，它自然地将航天器引向给定的轨道。 这是一种伟大的方法，在学术研究和实际应用中已经成功使用了几十年。

"当你试图在空间/时间的特定位置与目标航天器会合，而不是到达目标轨道时，你所面对的是低推力航天器，其发动机长时间工作，而不是拥有更强大推进器的航天器，其发动机工作时间很短，这就变得有点具有挑战性。我们的技术基于一个略有不同的想法。 "帕斯卡雷拉说："我们首先通过传播解的样本来研究解的空间--要么不使用任何推力，要么使用非常简单的推力控制法则--然后我们注意它们与我们期望的目的地的接近程度。"

他补充说，由于他们试图达到的轨道类型会产生流形，因此他们知道至少有一些初始猜测会接近理想轨道："在绘制出初始解图后，我们利用最优控制理论生成最优的端到端轨迹。最优控制使我们能够找到从地球附近出发的轨迹，并在最短的时间内与我们的太空望远镜会合。 解空间的初始采样是最基本的--最优控制问题出了名的难以解决，因此我们需要一个合适的初始猜测。"

埃格尔说，修复盖亚/为其提供燃料的计划是一个可以实施的完整设计，而詹姆斯-韦伯望远镜则需要更多的工程设计。