对于天文学家和宇宙学家来说，这是一个激动人心的时刻。 自从 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)，天文学家看到了有史以来拍摄的最生动、最详细的宇宙图像。 韦伯强大的红外成像仪、光谱仪和日冕仪将在不久的将来实现更多，包括从早期宇宙调查到系外行星直接成像研究的一切。 此外，未来几年，几台配备 30 米（约 98.5 英尺）主镜、自适应光学系统、光谱仪和日冕仪的下一代望远镜将投入使用。
即使有了这些令人印象深刻的仪器，天文学家和宇宙学家仍期待着一个更精密、更强大的望远镜可用的时代。 为了 example, 扎卡里科德罗
麻省理工学院 (MIT) 最近提出了一种望远镜 100 米（328 英尺）主镜 它将在太空中自主构建并通过静电致动器弯曲成形。 他的提案是今年被选出的几个概念之一 NASA 创新先进概念 (NIAC) 第一阶段开发计划。
Corder 是麻省理工学院航空航天专业的波音职业发展教授，也是 航天材料与结构实验室 (AMSL) 和 小型卫星中心. 他的研究整合了他在加工科学、力学和设计方面的专业知识，以开发用于新兴航空航天应用的新型材料和结构。 他的提议是与 Jeffrey Lang 教授 （来自麻省理工学院的电子和微系统技术实验室）和一个由三名 AMSL 学生组成的团队，包括博士。 学生 Harsh Girishbhai Bhundiya。
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他们提议的望远镜解决了太空望远镜和其他大型有效载荷的一个关键问题，这些有效载荷被打包发射，然后部署在轨道上。 简而言之，尺寸和表面精度的权衡将可部署太空望远镜的直径限制在 10 米以内。 考虑最近推出的 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)，有史以来最大、最强大的太空望远镜。 为了适应其有效载荷整流罩（在阿丽亚娜 5 号火箭顶部），望远镜的设计使其可以折叠成更紧凑的形式。
这包括它的主镜、副镜和遮阳罩，一旦太空望远镜进入轨道，它们就会全部展开。 同时，主镜（有史以来部署的最复杂和最强大的）直径为 6.5 米（21 英尺）。 它的继任者，大型紫外/光学/红外测量仪 (LUVOIR)，将有一个类似的折叠组件和一个直径为 8 到 15 米（26.5 到 49 英尺）的主镜——取决于所选的设计（LUVOIR-A 或 -B). 正如 Bhundiya 通过电子邮件向 Universe Today 解释的那样：
“今天，大多数航天器天线都部署在轨道上（例如，诺斯罗普·格鲁曼公司的 Astromesh 天线）并且已经过优化以实现高性能和增益。 但是，它们有局限性：1) 它们是被动可部署系统。 也就是说，一旦部署它们，您就无法自适应地改变天线的形状。 2) 随着尺寸的增加，它们变得难以回转。 3）它们表现出直径和精度之间的权衡。 也就是说，它们的精度会随着尺寸的增加而降低，这对于实现需要大直径和高精度的天文学和传感应用（例如 JWST）来说是一个挑战。”
虽然已经提出了许多空间构造方法来克服这些限制，但缺乏对它们在建造精密结构（如大直径反射器）方面的性能的详细分析。 为了他们的提议，Cordero 和他的同事对太空制造的材料和工艺进行了定量的系统级比较。 最终，他们确定可以使用先进材料和一种称为弯曲成型的新型太空制造方法来克服这种限制。
这项技术由 AMSL 的研究人员发明，并在 最近的论文 由 Bhundiya 和 Cordero 合着，依赖于 计算机数控 (CNC)变形加工及分级高性能材料。 正如 Harsh 解释的那样：
“弯曲成型是一种用金属线材原料制造 3D 线框结构的工艺。 它的工作原理是在特定节点处以特定角度弯曲单股线，并在节点上添加接头以形成刚性结构。 因此，要制造给定的结构，您可以将其转换为弯曲指令，这些指令可以在 CNC 线材弯曲机等机器上实施，以用单股原料制造它。 弯曲成型的关键应用是制造轨道上大型天线的支撑结构。 该工艺非常适合这种应用，因为它功率低，可以制造具有高压缩比的结构，并且基本上没有尺寸限制。”
与其他太空组装和制造方法相比，弯曲成型是低功耗的，并且在太空的极低温环境中具有独特的优势。 此外，该技术使利用多功能材料的智能结构能够实现尺寸、质量、刚度和精度的新组合。 此外，由此产生的智能结构利用多功能材料实现了前所未有的尺寸、质量、刚度和精度组合，打破了限制传统桁架或张力对齐空间结构的设计范式。
除了本身的精度外，大型弯曲成型结构还可以使用其静电致动器以亚毫米精度勾勒出反射器表面的轮廓。 Harsh 说，这将提高他们在轨道上制造的天线的精度：
“主动控制的方法被称为静电驱动，它利用静电吸引产生的力将金属网精确地塑造成弯曲的形状，作为天线反射器。 我们通过在网格和“控制表面”之间施加电压来实现这一点，“控制表面”由弯曲成型的支撑结构和可展开的电极组成。 通过调整这个电压，我们可以精确地塑造反射面并实现高增益抛物面天线。”
Harsh 和他的同事推断，这项技术将允许使用直径超过 100 米（328 英尺）的可展开镜子，从而实现 100 m/m 的表面精度和超过 10 m2/kg 的比面积。 这种能力将超越现有的微波辐射测量技术，并可能导致风暴预报的显着改进和对大气过程（如水文循环）的更好理解。 这将对地球观测和系外行星研究产生重大影响。
该团队最近在 2023 年美国航空航天学会 (AIAA) 上展示了一个 1 米（3.3 英尺）长的带有弯曲成型支撑结构的静电驱动反射器原型 科技大会，于 1 月 23 日至 27 日在马里兰州国家港口举行。 有了这一阶段的 NIAC 资助，该团队计划使该技术成熟，最终目标是创建一个微波辐射测量反射器。
展望未来，该团队计划研究怎样在地球静止轨道 (GEO) 中使用弯曲成形来创建具有 15 公里（9.3 英里）视野、35 公里（21.75 英里）地面分辨率和拟议的微波辐射反射器50 至 56 GHz 的频率跨度——超高频和极高频率范围 (SHF/EHF)。 这将使望远镜能够从系外行星大气中检索温度分布，这是天体生物学家测量宜居性的一个关键特征。
“我们现在与 NIAC 的目标是努力在太空中实施我们的弯曲成型和静电驱动技术，”Harsh 说。 “我们设想在地球静止轨道上制造直径为 100 米的天线，该天线具有弯曲成型的支撑结构和静电驱动的反射器表面。 这些天线将使新一代航天器具有更强的传感、通信和功率能力。”
延伸阅读： 美国宇航局
