未來的太空望遠鏡可能有100米寬，在太空中建造并彎曲成精確的形狀 _太空望遠鏡

大型靜電驅動空間結構彎曲成形的圖示。資料來源：Zachary Cordero
據美國物理學家組織網（作者：Matt Williams, Universe Today）：對天文學家和宇宙學家來說，這是一個激動人心的時刻。自從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）問世以來，天文學家們一直在欣賞有史以來最生動、最詳細的宇宙圖像。韋伯強大的紅外成像儀、光譜儀和日冕儀將在不久的將來實現更多，包括從早期宇宙調查到對系外行星的直接成像研究。此外，幾臺新一代望遠鏡將在未來幾年內投入使用，配備30米（約98.5英尺）的主鏡、自適應光學、光譜儀和日冕儀。
即使有了這些令人印象深刻的儀器，天文學家和宇宙學家也期待著一個更先進、更強大的望遠鏡可用的時代。例如，麻省理工學院（MIT）的扎卡里·科德羅（Zachary Cordero）最近提出了一種帶有100米（328英尺）主鏡的望遠鏡，該望遠鏡將在太空中自主建造，并通過靜電致動器彎曲成形。他的建議是今年美國宇航局創新先進概念（NIAC）項目為第一階段開發選定的幾個概念之一。
科德是麻省理工學院波音航空航天職業發展教授，也是航空航天材料與結構實驗室（AMSL）和小型衛星中心的成員。他的研究融合了他在加工科學、力學和設計方面的專業知識，為新興的航空航天應用開發了新型材料和結構。他的提議是與Jeffrey Lang教授（來自麻省理工學院電子和微系統技術實驗室）以及AMSL的三名學生團隊合作的結果，其中包括博士生Harsh Girishbhai Bhundiya 。
他們提出的望遠鏡解決了太空望遠鏡和其他大型有效載荷的一個關鍵問題，這些有效載荷被打包用于發射，然后部署在軌道上。簡而言之，尺寸和表面精度的權衡將可展開空間望遠鏡的直徑限制在10米以內。以最近發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）為例，這是有史以來發射到太空的最大、最強大的望遠鏡。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），望遠鏡被設計成可以折疊成更緊湊的形式。
這包括主鏡、次鏡和遮陽板，一旦太空望遠鏡進入軌道，它們都會展開。同時，主鏡（有史以來最復雜、最強大的）直徑為6.5米（21英尺）。它的繼任者，大型紫外/光學/紅外探測器（LUVOIR），將有一個類似的折疊組件和一個直徑為8至15米（26.5至49英尺）的主鏡，具體取決于選定的設計（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）并且已經被優化以實現高性能和增益。然而，它們有局限性：1）它們是被動可部署系統。一、一旦你展開它們，你就不能自適應地改變天線的形狀。2）隨著規模的增加，它們變得很難被擊殺。3）它們在直徑和精度之間進行了權衡。一、 e.它們的精度隨著尺寸的增加而降低，這對于實現需要大直徑和高精度的天文學和傳感應用（例如JWST）來說是一個挑戰。"
雖然已經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構（如大直徑反射器）的性能的詳細分析。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行了定量的系統級比較。最終，他們確定，使用先進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。
這項技術由AMSL的研究人員發明，并在Bhundiya和Cordero最近合著的一篇論文中進行了描述，它依賴于計算機數控（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線框結構的過程。它的工作原理是在特定的節點和特定的角度彎曲一股線，并在節點上添加接頭以形成剛性結構。因此，為了制造給定的結構，您可以將其轉換為彎曲指令，該指令可以在CNC線彎曲機等機器上實現單股原料。彎曲成形的關鍵應用是在軌道上制造大型天線的支撐結構。該工藝非常適合這種應用，因為它低功耗，可以制造具有高壓實比的結構，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境下實現。此外，該技術使智能結構能夠利用多功能材料實現尺寸、質量、剛度和精度的新組合。此外，由此產生的智能結構利用多功能材料實現尺寸、質量、剛度和精度的前所未有的組合，打破了限制傳統特拉斯或張力對齊空間結構的設計范式。
除了其固有的精度外，大型彎曲成形結構還可以使用其靜電致動器以亞毫米精度對反射器表面進行輪廓加工。哈什說，這將提高他們制造的天線在軌道上的精度：

一個由3顆系外行星組成的排列，根據存在的化學物質和進入的通量來探索大氣的不同。資料來源：Jack H.Madden
“主動控制的方法被稱為靜電驅動，它利用靜電引力產生的力將金屬網精確地塑造成彎曲的形狀，作為天線反射器。我們通過在網和由彎曲形成的支撐結構和可展開電極組成的“命令表面”之間施加電壓來實現這一點。通過調整電壓，我們可以精確地成形反射器表面并實現高增益拋物面天線。"哈什和他的同事推斷，這項技術將使直徑超過100米（328英尺）的可展開反射鏡能夠實現100米/米的表面精度和超過10平方米/千克的比面積。這一能力將超越現有的微波輻射測量技術，并將導致風暴預報的顯著改進，以及對水文循環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生重大影響。
該團隊最近在1月23日至27日于馬里蘭州國家港舉行的2023年美國航空航天學會（AIAA）科學技術會議上展示了一個1米（3.3英尺）的靜電驅動反射器原型，該反射器帶有彎曲形成的支撐結構。通過NIAC第一階段的資助，該團隊計劃使該技術成熟，最終目標是創建微波輻射測量反射器。
展望未來，該團隊計劃研究如何在地球靜止軌道（GEO）中使用彎曲成形，以創建一個具有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。這將使望遠鏡能夠從系外行星大氣中獲取溫度分布，這是一個關鍵特征，允許天體生物學家測量可居住性。
哈什說：“我們現在與NIAC的目標是致力于在太空中實現我們的彎曲成形和靜電驅動技術。” 。“我們設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構和靜電驅動的反射器表面。這些天線將使新一代航天器具有更強的傳感、通信和功率能力。”