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光學(xué) 蜘蛛機(jī)器人在軌組裝空間望遠(yuǎn)鏡，基建狂魔上太空，真的靠譜嗎？

最近，央視曝光的中科院長(zhǎng)春光機(jī)所下一代空間望遠(yuǎn)鏡讓外界大吃一驚，其科幻的外形如同星際戰(zhàn)艦、軌道激光炮或者是太陽(yáng)帆飛船，提出的太空蜘蛛機(jī)器人和在軌組裝技術(shù)，更是大大領(lǐng)先世界先進(jìn)水平。不過(guò)，由于目前它還只是一個(gè)規(guī)劃，準(zhǔn)備未來(lái)5到10年內(nèi)發(fā)射，很多人在問(wèn)，它真的能變成現(xiàn)實(shí)嗎？
這個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡也太科幻了
實(shí)際上，它完全可以變成現(xiàn)實(shí)。空間望遠(yuǎn)鏡的在軌組裝技術(shù)，并非我們首先提出來(lái)的，而是美國(guó)“韋伯”望遠(yuǎn)鏡JWST。在軌組裝技術(shù)不但避開(kāi)了單一鏡面形式的技術(shù)難度和加工制造成本，同時(shí)突破了運(yùn)載器整流罩尺寸的限制，在高分辨率、輕質(zhì)和模塊化方面有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展趨勢(shì)。
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“韋伯”望遠(yuǎn)鏡
不過(guò)，“韋伯”由于屢屢跳票，已被稱為“鴿王”，它最新的計(jì)劃是今年10月份發(fā)射，但是鑒于疫情的原因，很大可能會(huì)繼續(xù)推遲。而且它的鏡面不夠大，相比在軌組裝，更是是一種折疊展開(kāi)技術(shù)。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所下一代空間望遠(yuǎn)鏡的水平則高得多，鏡面也要大得多。
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咱們的比“韋伯”可大多了
不過(guò)，大面積的在軌組裝技術(shù)，也不是沒(méi)有問(wèn)題的，比如有觀點(diǎn)認(rèn)為它主要依靠空間站上的太空機(jī)械臂組裝，而機(jī)械臂末端有45mm的誤差，對(duì)于望遠(yuǎn)鏡那么精密的設(shè)備來(lái)說(shuō)，可能是致命，為解決這個(gè)問(wèn)題，我國(guó)科學(xué)家也想了很多辦法，其中包括光學(xué)鏡面的校準(zhǔn)過(guò)程。
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光學(xué)鏡面的校準(zhǔn)至關(guān)重要
光學(xué)鏡面的校準(zhǔn)包括初始裝配、粗校準(zhǔn)和精校準(zhǔn)，在初始裝配階段，就要將誤差控制在微米級(jí)，其中涉及的單元鏡之間的捕獲點(diǎn)預(yù)測(cè)、碰撞緩沖以及鎖緊系統(tǒng)。在單元鏡捕獲階段，我國(guó)科學(xué)家提出異體同構(gòu)錐桿式捕獲系統(tǒng)，利用笛卡爾坐標(biāo)系的幾何映射理論，建立“雙點(diǎn)接觸”碰撞點(diǎn)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)位移曲線變化，將相對(duì)位置誤差控制在0.015mm范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械臂45mm的誤差。
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機(jī)械臂的誤差無(wú)法滿載光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的在軌組裝
而單元鏡的在軌安裝過(guò)程中，碰撞沖擊影響不可避免，我國(guó)科學(xué)家建立了“雙彈性”被動(dòng)式緩沖理論模型，根據(jù)異體同構(gòu)錐桿式碰撞特性，采用導(dǎo)向桿頭和接納錐壁柔性化設(shè)計(jì)，運(yùn)用牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)方程，分析了捕獲階段所需要的緩沖能力，根據(jù)半無(wú)限體表面手法像集中力的疊加接發(fā)，得出該模型的接觸碰撞過(guò)程中最大的緩沖變形和最大接觸應(yīng)力，變形值隨沖擊力可增大3倍，沖擊力最大可降低58%。
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捕獲時(shí)沖擊力最大可降低58%
最后一關(guān)的鎖緊裝置，我國(guó)科學(xué)家提出了一種被動(dòng)式軸向鎖緊系統(tǒng)，通過(guò)鎖緊齒與導(dǎo)向桿的彈性嚙完成鎖緊，建立了柔性鎖緊系統(tǒng)理論模型，并通過(guò)可視化試驗(yàn)驗(yàn)證了鎖緊模型的實(shí)際鎖緊裝配誤差，試驗(yàn)結(jié)果完全合格。而這還只是初始裝配過(guò)程，接下里的粗校準(zhǔn)和精校準(zhǔn)過(guò)程更為復(fù)雜，是航天領(lǐng)域的最高機(jī)密之一，在這里就不討論了。
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被動(dòng)式軸向鎖緊系統(tǒng)
總而言之，此次央視曝光的中科院長(zhǎng)春光機(jī)所下一代空間望遠(yuǎn)鏡，是一種非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)不止我們看到的科幻外形和太空蜘蛛這么簡(jiǎn)單。但即便再科幻，它也并非空想，而是我國(guó)科學(xué)家一步一步腳踏實(shí)地得來(lái)的，所有的成績(jī)背后都是難以想象的艱辛，而一旦獲得成功，將奠定我國(guó)航天未來(lái)領(lǐng)先世界的格局。
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