미래의 우주 망원경은 원격 위치 및 제한된 연료와 같은 문제를 극복하는 데 중점을 두고 서비스하기 쉽도록 설계되고 있습니다. 새로운 접근 방식에는 안전한 근거리 작전과 효율적인 궤도 계획이 포함되어 잠재적으로 James Webb 및 Gaia와 같은 기존 임무의 수명을 연장할 수 있습니다.
유지 관리에 중점을 둔 새로운 설계 덕분에 우주 망원경의 지속 가능성이 더욱 높아지고 있습니다. 연구원들은 James Webb 우주 망원경 및 ESA의 Gaia와 같은 임무에서 영감을 얻어 미래 우주 관측소에 대한 유지 관리 계획을 개발했습니다.
"차세대 대형 우주 망원경은 유지 관리 가능성을 염두에 두고 설계되었지만 구현 중에는 상당한 과제가 남아 있습니다."라고 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 Grainger School of Engineering의 항공우주 공학 교수인 Siegfried Eggl은 설명했습니다.
가장 큰 과제는 거리입니다. 현대 망원경은 지구에서 약 백만 마일 떨어진 태양-지구 라그랑주 지점 L2에 위치해 있습니다. 이 위치는 지구와 동기화되어 이동하기 때문에 다소 쉽게 접근할 수 있지만 거리로 인해 자재를 운반하는 데 시간과 비용이 많이 듭니다. 이러한 어려움에도 불구하고 라그랑지안 포인트 L2는 Gaia와 같은 임무의 영향을 크게 향상시키는 조용하고 방해가 적은 환경을 제공하며 Egger는 그 노력이 그만한 가치가 있다고 믿습니다.
에거는 “가이아는 태양전지판이 달린 회전하는 원통과 같다”고 말했다. "캡슐화되어 있어 손상되지는 않지만 10년 동안 밖에서 돌아다니면 연료가 부족해집니다. Luttwik-Bomena는 거미를 추가하는 새로운 개념을 고안했습니다. "Gaia는 곧 폐기될 것이므로 접근할 시간이 충분하지 않지만 James Webb은 여전히 기회가 있을 수 있고 몇 년 동안 계속 작동할 것이므로 임무를 연장하기로 결정할 수 있습니다."
그는 제임스 웹 망원경의 거울은 차폐되지 않은 분할 거울이며, 그 중 일부는 미세 운석에 부딪혀 손상되었다고 설명했습니다. JWST의 전체 거울 직경은 6미터입니다. 다음 대형 망원경은 이 크기의 두 배가 될 것입니다.
"깨진 거울 등을 계획적으로 교체할 수 있도록 시대에 앞서려고 노력하고 있습니다. 그렇게 하지 않으면 값비싼 스포츠카를 구입했다가 휘발유가 떨어지면 버리는 것과 같습니다."
Bomena의 또 다른 작업 영역은 안전한 근접 작업입니다.
Bomena는 "망원경을 수리하거나 연료를 공급하기 위해 우주선이 도착하자마자 제동을 걸어야 합니다"라고 말했습니다. "속도를 늦추기 위해 추진기를 사용하는 것은 망원경에 토치를 겨누는 것과 같습니다. 망원경 거울과 같은 섬세한 구조에 그렇게 하고 싶지는 않습니다. 거울 전체를 태우지 않고 어떻게 그렇게 할 수 있습니까?"
일리노이 대학 항공우주 공학 교수인 로빈 울랜즈(Robyn Woollands)는 이번 연구의 주요 목표 중 하나가 크고 값비싼 로켓에 의존하지 않고 저렴하게 목적지에 도달할 수 있는 궤적을 찾는 것이라고 말했습니다.
"다행히도 태양계에 숨겨진 고속도로 덕분에 거기까지 가는 것이 가능합니다. 우리는 JWST를 수리하는 데 필요한 우주선의 크기에 최적인 궤적을 가지고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
박사 과정 학생인 Alex Pascarella는 솔루션 공간을 빠르게 샘플링하여 계산 시간을 줄이는 새로운 기술을 개발했습니다. "진기함은 우리가 궤도 설계에 대한 두 가지 다른 접근 방식, 즉 동적 시스템 이론과 최적 제어 이론을 결합한다는 것입니다."라고 그는 말했습니다.
태양-지구 시스템과 같은 다중 물체 시스템의 궤도 설계에 대한 전통적인 접근 방식은 궤도의 불변 다양체를 계산하는 데 의존합니다. 다양체는 자연스럽게 우주선을 주어진 궤도로 이끄는 우주의 경로입니다. 이는 학술 연구와 실제 적용 모두에서 수십 년 동안 성공적으로 사용되어 온 훌륭한 접근 방식입니다.
Pascarella는 "목표 궤도에 도달하는 대신 공간/시간의 특정 위치에서 목표 우주선과 랑데부하려고 할 때 엔진이 짧은 시간 동안 작동하는 더 강력한 추진기를 갖춘 우주선과 달리 엔진이 오랫동안 작동하는 저추력 우주선을 다룰 때 약간 어려워집니다. "우리 기술은 약간 다른 아이디어를 기반으로 합니다."라고 Pascarella는 말했습니다. "우리는 먼저 다음과 같은 샘플을 전파하여 솔루션 공간을 연구합니다. 추력이 없거나 매우 간단한 추력 제어 법칙을 사용하여 솔루션을 찾은 다음 원하는 목적지에 얼마나 가까운지 확인합니다."
그는 달성하려는 궤도 유형이 다양함을 생성하기 때문에 초기 추측 중 적어도 일부가 이상적인 궤도에 가까울 것임을 알고 있다고 덧붙였습니다. "초기 솔루션을 매핑한 후 최적의 제어 이론을 사용하여 최적의 엔드투엔드 궤적을 생성합니다. 최적 제어를 통해 지구 근처에서 시작하여 가능한 가장 짧은 시간에 우주 망원경과 만나는 궤적을 찾을 수 있습니다. 솔루션 공간의 초기 샘플링이 기본입니다. 최적 제어 문제는 해결하기 매우 어렵기로 악명 높기 때문에 필요합니다. 적절한 초기 추측입니다."
Gaia를 수리/연료 공급하려는 계획은 구현 가능한 완전한 설계인 반면 James Webb 망원경에는 더 많은 엔지니어링이 필요할 것이라고 Egger는 말했습니다.
/ScitechDaily에서 편집됨