未來太空望遠鏡能夠自組裝 讓打造巨無霸成為可能

科學家建議採用「自組裝」的方式建造太空望遠鏡，即將鏡片發射到太空，而後組裝到一起。通過這種方式，我們能夠建造體積超過史上任何望遠鏡的巨無霸，提高我們的太空觀測能力。

作者：作者：查爾斯·Q·崔；文章來源：AIP InsideScience

2014年2月11日，立方體衛星飛出國際空間站。科學家提議建造的巨型軌道天文望遠鏡（GOAT）將由機器人自行組裝，而這些機器人會通過數千個尺寸相似的包裹被送進太空的。

功能強悍的太空望遠鏡通常都是體積巨大的衛星，建造和發射成本極高。現在，科學家建議發射麵包塊大小的機器人，負責在軌道中組裝史上最大的巨型望遠鏡。這種方式也能幫助建造巨型太空發電站和小行星採礦。

與很多應用一樣，太空探索設備也是越大越好。太空望遠鏡的體積越大，所能收集的光線越多，幫助科學家拍攝解析度更高的照片同時發現更為暗淡的觀測對象。

不過，太空望遠鏡的體積受制於負責將它們送入太空的火箭或者太空梭的運載能力。捕獲可見光和紅外線的望遠鏡通常需要鏡片，即使有可能，為這種望遠鏡研製可摺疊鏡片也是一個非常複雜的過程。

一種解決方案是將大型望遠鏡的所有零部件送入太空，而後在軌道中組裝。現在，英國科學家提議發射機器人模塊，然後組裝成重量超過100公噸的巨型軌道天文望遠鏡（GOAT）。

在設計上，GOAT採用兩個環形鏡片，它們相互配合，功能與一個25米寬的鏡片類似，用於收集可見光和近紅外線。相比之下，哈勃太空望遠鏡的主鏡寬度只有2.4米，未來發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡的主鏡也不過6.5米。

GOAT觀測木星的解析度在10到20公里之間，觀測遠至冥王星的天體的解析度為200公里。薩里太空中心行星環境研究小組負責人克雷格·安德伍德表示，類似平台甚至能夠觀測地球，「讓實時的詳細持續觀測成為一種可能」。

據科學家預計，GOAT所繞軌道距地球3.58萬公里左右。由於距離很近，宇航員能夠去執行潛在的維修、升級和燃料補給任務。

一種建造GOAT的策略是利用一顆裝有機械臂的中央衛星，將鏡片組裝在一起。另一種策略是使用「智能」子鏡，每個子鏡能夠獨立飛行，在中央衛星周圍進行組裝。研究人員指出第二種策略可能是一種浪費，因為每個子鏡的大部分時間都是充當一個更大鏡片的一部分，而不是單個自治飛船。由於智能組件的獨立性更高，發射可以隨著時間推移逐漸展開，以分攤成本。科學家建議將兩種方式雙管齊下，建造GOAT。

根據科學家的設想，如果GOAT的每個子鏡都是一個10厘米寬，6公斤重的自治六邊形飛船——與當前部署到軌道中的立方體衛星的體積相當——需要大約1.4萬個子鏡。此外，還需要一顆中央衛星，幾個負責組裝構架等組件的機動「助手衛星」。構架是望遠鏡的骨架，所有零部件都要安裝到構架上。GOAT的總重量在112公噸左右，需要聯合發射聯盟的德爾塔-IV重型火箭進行17次發射，每次的發射成本在50億美元左右。但科學家指出如果使用SpaceX的獵鷹重型火箭，發射成本可降低三分之二。

此前，很多研究團隊都提議利用小模塊組裝直徑30到100米的大型太空望遠鏡。美國宇航局噴氣推進實驗室的資深研究科學家塞爾吉奧·佩萊格里諾表示，與此前的努力相比，這一次並不只是說說而已。現在，一項測試計劃正在進行中。

這項計劃名為「AAReST」（可重構太空望遠鏡自組裝的英文首字母縮寫），將測試自主會合和對接機動，以及未來的模塊衛星所需的光學技術。AAReST由兩個字鏡構成，從飛船部署，利用丁烷推進器進行機動，將子鏡移動到衛星的指定位置。子鏡上的紅外激光掃描儀幫助它們導航，電磁夾則幫助它們完成對接。

現在，薩里大學、加州理工學院和印度太空科學與技術學院正在研製AAReST的最終版本，預計於12月竣工。安德伍德說：「我們預計在2019年進行一次發射。」

在軌道中建造飛船或衛星還有其它更為前衛的方式。例如，可以利用3D印表機，直接在太空中製造衛星零部件，而後進行組裝。但佩萊格里諾指出製造太空望遠鏡級別的鏡片和鏡頭需要納米級精確度，而當前最先進的3D印表機的精度也不過10微米。「我們應繼續研究太空中建造技術，但在我看來，我們應該先易後難，從製造難度遠低於光學望遠鏡的結構開始。」

編隊飛行的衛星群也可充當大型虛擬望遠鏡。但安德伍德表示：「我們認為這種做法極具挑戰性，因為對精準編隊控制的要求太高。」

除了建造太空望遠鏡，自主在軌會合和組裝技術還有很多潛在應用。研究論文合著者、薩里大學的太空機器人技術專家高陽（Yang Gao，音譯）表示：「軌道機器人技術和人工智慧技術能夠讓未來的飛船執行衛星維修，清除太空垃圾以及開採小行星和彗星資源等任務。」佩萊格里諾指出另一種可能性是，衛星在軌道中收集太陽能，而後傳回地球。

模塊衛星可能是未來太空探索的關鍵。佩萊格里諾說：「在準備發射詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的同時，美國宇航局也將目光投向在軌組裝望遠鏡的相關研究。」

在2017年12月期的《宇航學報》中，高陽和她的同事詳述了他們的發現。

https://www.insidescience.org/news/future-self-assembled-space-telescope

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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