大型靜電驅(qū)動(dòng)空間結(jié)構(gòu)彎曲成形的圖示。資料來源：Zachary Cordero
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即使有了這些令人印象深刻的儀器，天文學(xué)家和宇宙學(xué)家也期待著一個(gè)更先進(jìn)、更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡可用的時(shí)代。例如，麻省理工學(xué)院（MIT）的扎卡里·科德羅（Zachary Cordero）最近提出了一種帶有100米（328英尺）主鏡的望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡將在太空中自主建造，并通過靜電致動(dòng)器彎曲成形。他的建議是今年美國宇航局創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）項(xiàng)目為第一階段開發(fā)選定的幾個(gè)概念之一。
科德是麻省理工學(xué)院波音航空航天職業(yè)發(fā)展教授，也是航空航天材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（AMSL）和小型衛(wèi)星中心的成員。他的研究融合了他在加工科學(xué)、力學(xué)和設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識，為新興的航空航天應(yīng)用開發(fā)了新型材料和結(jié)構(gòu)。他的提議是與Jeffrey Lang教授（來自麻省理工學(xué)院電子和微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）以及AMSL的三名學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果，其中包括博士生Harsh Girishbhai Bhundiya。
他們提出的望遠(yuǎn)鏡解決了太空望遠(yuǎn)鏡和其他大型有效載荷的一個(gè)關(guān)鍵問題，這些有效載荷被打包用于發(fā)射，然后部署在軌道上。簡而言之，尺寸和表面精度的權(quán)衡將可展開空間望遠(yuǎn)鏡的直徑限制在10米以內(nèi)。以最近發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）為例，這是有史以來發(fā)射到太空的最大、最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。為了配合它的有效載荷整流罩（在阿麗亞娜5號火箭的頂部），望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計(jì)成可以折疊成更緊湊的形式。
這包括主鏡、次鏡和遮陽板，一旦太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入軌道，它們都會(huì)展開。同時(shí)，主鏡（有史以來最復(fù)雜、最強(qiáng)大的）直徑為6.5米（21英尺）。它的繼任者，大型紫外/光學(xué)/紅外探測器（LUVOIR），將有一個(gè)類似的折疊組件和一個(gè)直徑為8至15米（26.5至49英尺）的主鏡，具體取決于選定的設(shè)計(jì)（LUVOIR-a或-B）。正如Bhundiya通過電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣：
“今天，大多數(shù)航天器天線都部署在軌道上（例如，諾斯羅普·格魯曼公司的Astromesh天線）并且已經(jīng)被優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高性能和增益。然而，它們有局限性：1）它們是被動(dòng)可部署系統(tǒng)。一、 一旦你展開它們，你就不能自適應(yīng)地改變天線的形狀。2） 隨著規(guī)模的增加，它們變得很難被擊殺。3） 它們在直徑和精度之間進(jìn)行了權(quán)衡。一、 e.它們的精度隨著尺寸的增加而降低，這對于實(shí)現(xiàn)需要大直徑和高精度的天文學(xué)和傳感應(yīng)用（例如JWST）來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。"
雖然已經(jīng)提出了許多空間建造方法來克服這些限制，但缺乏對其用于建造精密結(jié)構(gòu)（如大直徑反射器）的性能的詳細(xì)分析。出于他們的建議，科德羅和他的同事對太空制造的材料和工藝進(jìn)行了定量的系統(tǒng)級比較。最終，他們確定，使用先進(jìn)的材料和一種稱為彎曲成形的新型太空制造方法可以克服這一限制。
這項(xiàng)技術(shù)由AMSL的研究人員發(fā)明，并在Bhundiya和Cordero最近合著的一篇論文中進(jìn)行了描述，它依賴于計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）變形處理和分級高性能材料的組合。正如Harsh所解釋的：
“彎曲成形是一種用金屬絲原料制造3D線框結(jié)構(gòu)的過程。它的工作原理是在特定的節(jié)點(diǎn)和特定的角度彎曲一股線，并在節(jié)點(diǎn)上添加接頭以形成剛性結(jié)構(gòu)。因此，為了制造給定的結(jié)構(gòu)，您可以將其轉(zhuǎn)換為彎曲指令，該指令可以在CNC線彎曲機(jī)等機(jī)器上實(shí)現(xiàn)單股原料。彎曲成形的關(guān)鍵應(yīng)用是在軌道上制造大型天線的支撐結(jié)構(gòu)。該工藝非常適合這種應(yīng)用，因?yàn)樗凸模梢灾圃炀哂懈邏簩?shí)比的結(jié)構(gòu)，并且基本上沒有尺寸限制。"
與其他空間組裝和制造方法相比，彎曲成形是低功耗的，并且在空間的極端低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。此外，該技術(shù)使智能結(jié)構(gòu)能夠利用多功能材料實(shí)現(xiàn)尺寸、質(zhì)量、剛度和精度的新組合。此外，由此產(chǎn)生的智能結(jié)構(gòu)利用多功能材料實(shí)現(xiàn)尺寸、質(zhì)量、剛度和精度的前所未有的組合，打破了限制傳統(tǒng)特拉斯或張力對齊空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)范式。
除了其固有的精度外，大型彎曲成形結(jié)構(gòu)還可以使用其靜電致動(dòng)器以亞毫米精度對反射器表面進(jìn)行輪廓加工。哈什說，這將提高他們制造的天線在軌道上的精度：

一個(gè)由3顆系外行星組成的排列，根據(jù)存在的化學(xué)物質(zhì)和進(jìn)入的通量來探索大氣的不同。資料來源：Jack H.Madden
“主動(dòng)控制的方法被稱為靜電驅(qū)動(dòng)，它利用靜電引力產(chǎn)生的力將金屬網(wǎng)精確地塑造成彎曲的形狀，作為天線反射器。我們通過在網(wǎng)和由彎曲形成的支撐結(jié)構(gòu)和可展開電極組成的“命令表面”之間施加電壓來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過調(diào)整電壓，我們可以精確地成形反射器表面并實(shí)現(xiàn)高增益拋物面天線。"哈什和他的同事推斷，這項(xiàng)技術(shù)將使直徑超過100米（328英尺）的可展開反射鏡能夠?qū)崿F(xiàn)100米/米的表面精度和超過10平方米/千克的比面積。這一能力將超越現(xiàn)有的微波輻射測量技術(shù)，并將導(dǎo)致風(fēng)暴預(yù)報(bào)的顯著改進(jìn)，以及對水文循環(huán)等大氣過程的更好理解。這將對地球觀測和系外行星研究產(chǎn)生重大影響。
該團(tuán)隊(duì)最近在1月23日至27日于馬里蘭州國家港舉行的2023年美國航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）科學(xué)技術(shù)會(huì)議上展示了一個(gè)1米（3.3英尺）的靜電驅(qū)動(dòng)反射器原型，該反射器帶有彎曲形成的支撐結(jié)構(gòu)。通過NIAC第一階段的資助，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使該技術(shù)成熟，最終目標(biāo)是創(chuàng)建微波輻射測量反射器。
展望未來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃研究如何在地球靜止軌道（GEO）中使用彎曲成形，以創(chuàng)建一個(gè)具有15公里（9.3英里）視野、35公里（21.75英里）地面分辨率和50至56 GHz超高和極高頻率范圍（SHF/EHF）的微波輻射測量反射器。這將使望遠(yuǎn)鏡能夠從系外行星大氣中獲取溫度分布，這是一個(gè)關(guān)鍵特征，允許天體生物學(xué)家測量可居住性。
哈什說：“我們現(xiàn)在與NIAC的目標(biāo)是致力于在太空中實(shí)現(xiàn)我們的彎曲成形和靜電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。”。“我們設(shè)想在地球靜止軌道上制造直徑為100米的天線，該天線具有彎曲成形的支撐結(jié)構(gòu)和靜電驅(qū)動(dòng)的反射器表面。這些天線將使新一代航天器具有更強(qiáng)的傳感、通信和功率能力。”