Các nhà thiên văn học tại Đài quan sát Steward của Đại học Arizona đang sử dụng bộ thử nghiệm từ Khoa học chân không Rydberg để theo dõi nhanh quá trình phát triển và trình độ của một thế hệ kính thiên văn nghiên cứu vệ tinh nhỏ mới
công ty khởi nghiệp công nghệ Mỹ Khoa học chân không Rydberg (RVS) tiếp tục vạch ra lộ trình phát triển với tư cách là nhà cung cấp thiết bị “phù hợp” trong hệ sinh thái thử nghiệm và đo lường mới nổi hỗ trợ phát triển và xác nhận các sứ mệnh không gian vệ tinh nhỏ – các thiết bị rộng rãi có khối lượng từ 1 đến 500 kg . Chính xác hơn, RVS đang tạo ra một lĩnh vực chuyên môn trong việc cung cấp các sản phẩm chu trình chân không nhiệt và chân không nhiệt có sẵn, giá cả phải chăng - các công nghệ cốt lõi cho phép trong quy trình đánh giá chất lượng trước khi bay cho các vệ tinh nhỏ và các bộ phận cấu thành, hệ thống con và thiết bị đo đạc.
Bối cảnh thị trường đang phát triển ở đây mang tính hướng dẫn, trong đó các nhà phát triển vệ tinh nhỏ đang mở ra các cơ hội thương mại và khoa học trong các ứng dụng đa dạng như quan sát thiên văn, viễn thám, bảo vệ môi trường, theo dõi tài sản và hậu cần. Trọng tâm của tất cả, sự đổi mới vệ tinh nhỏ đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng, với các nhà sản xuất đã thành lập và mới gia nhập, cũng như các nhóm nghiên cứu học thuật, ngày càng thu hút nhiều chức năng hơn vào các trọng tải ngày càng giảm trong khi tiếp tục hạ thấp các rào cản gia nhập thị trường. ngành công nghiệp vũ trụ.
Kiểm tra sự sẵn sàng của nhiệm vụ
Tất cả những điều này chuyển thành áp lực giảm không ngừng đối với vốn và chi phí hoạt động của các nhà phát triển vệ tinh và đội ngũ kỹ thuật của họ – đặc biệt là khi nói đến các chương trình thử nghiệm chính xác cần thiết để đủ điều kiện cho hệ thống vệ tinh được phóng và cuối cùng là hoạt động lâu dài trên quỹ đạo. Một trường hợp nghiên cứu về vấn đề này là Trung tâm Quang học Thích ứng Thiên văn (CAAO) tại Đài quan sát Steward, bộ phận nghiên cứu của khoa thiên văn học tại Đại học Arizona (Tucson, AZ). Nhóm CAAO cũng là sự bổ sung mới nhất cho mạng lưới khách hàng RVS đang phát triển và do đó, họ đã đưa buồng thử nghiệm chân không nhiệt (TVAC) của nhà cung cấp vào quá trình vận hành và nghiệm thu trong vài tháng qua.
Ewan Douglas, trợ lý giáo sư và trợ lý thiên văn học giải thích: “Chúng tôi đang chế tạo các công cụ nghiên cứu nguyên mẫu – bao gồm hệ thống quang học thích ứng, máy dò hồng ngoại và tia cực tím tiên tiến cũng như bộ điều nhiệt hiệu suất cao – sẽ được tích hợp vào các kính thiên văn vệ tinh nhỏ đặt trên không gian trong tương lai”. tại Đài thiên văn Steward. Về phần mình, Douglas đang dẫn đầu một nỗ lực nghiên cứu trên phạm vi rộng bao gồm thiết bị không gian, cảm biến và điều khiển mặt sóng cũng như hình ảnh có độ tương phản cao của các hành tinh ngoài hệ mặt trời và các mảnh vụn. Ông cho biết thêm: “Khả năng thử nghiệm của phòng TVAC sẽ cho phép chúng tôi nâng cao tính sẵn sàng về mặt kỹ thuật và sứ mệnh của các thiết bị khoa học cũng như trọng tải vệ tinh của chúng tôi”. “Bằng cách này, chúng tôi hy vọng sẽ làm cho các phản hồi của Đại học Arizona đối với các đề xuất tài trợ của NASA trở nên hấp dẫn hơn nhiều.”
Chi tiết vận hành
Đối với bất kỳ chương trình thử nghiệm trước khi phóng nào, các nhà phát triển thiết bị như Douglas và các đồng nghiệp CAAO của ông thường sẽ tạo ra một mô hình về nhiệt độ khắc nghiệt mà một sứ mệnh vệ tinh nhỏ có thể gặp phải khi ở trên quỹ đạo. Tiếp theo đó là một chương trình toàn diện về thử nghiệm chân không nhiệt trong phòng thí nghiệm – cần thiết cho việc lặp lại và xác nhận mô hình cũng như để đảm bảo rằng mọi thiết bị sưởi/làm mát cục bộ đều có tác dụng mong muốn trên các thiết bị nghiên cứu tuyến đầu và phần cứng liên quan của chúng.
Trong kịch bản này, buồng RVS TVAC cho phép các nhà phát triển đánh giá hiệu suất công nghệ dọc theo nhiều tọa độ. Ví dụ: thử nghiệm đạp xe chân không nhiệt sẽ thấy phần cứng và thiết bị đo đạc của thủ công được thực hiện theo các bước của nó và tuân theo chương trình “bước và lặp lại” với nhiệt độ cực nóng và lạnh trong môi trường chân không cao, trong khi thử nghiệm cân bằng nhiệt nhằm mục đích chứng minh tính hiệu quả của hệ thống kiểm soát nhiệt của tàu trong việc duy trì nhiệt độ của các hệ thống chính trong giới hạn được xác định trước. Ngoài ra còn có yêu cầu nướng chân không, trong đó phần cứng vệ tinh được làm nóng đến nhiệt độ cao trong điều kiện chân không cao để định lượng mức độ thoát khí của vật liệu (các sản phẩm của chúng có thể ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống hình ảnh trên tàu, bộ tản nhiệt, pin mặt trời và những thứ tương tự).
Đây là một cơ hội khác. Ngay cả khi nhóm CAAO đang đẩy mạnh các giới hạn hiệu suất của thiết bị đo trong không gian, cam kết song song về giảm chi phí vẫn là một phần quan trọng của tổ hợp R&D – đặc biệt là trong việc triển khai phần cứng thương mại sẵn có (COTS) và phần mềm (thay vì phát triển các giải pháp công nghệ riêng biệt). Douglas cho biết: “Trường hợp sử dụng chính của buồng TVAC liên quan đến việc sử dụng các sản phẩm COTS – chẳng hạn như máy dò quang học hoặc máy tính tích hợp – và đảm bảo rằng chúng vẫn hoạt động trong môi trường giống như không gian”. “Các công nghệ COTS đủ tiêu chuẩn về không gian là nền tảng để giảm chi phí chung cho các sứ mệnh thiên văn vệ tinh nhỏ.”
Cung cấp so với yêu cầu
Điều quan trọng không kém là sự nhấn mạnh mà RVS đặt vào các hệ thống chân không nhiệt có sẵn của riêng mình. Nói cách khác, điều đó có nghĩa là thử nghiệm nhiệt ở mức giá hợp lý đồng thời đảm bảo rằng tính dễ sử dụng là điều tối quan trọng. Manny Montoya, giám đốc kỹ thuật CAAO, người đứng đầu một nhóm kỹ sư, kỹ thuật viên và thợ máy đa dạng hỗ trợ nghiên cứu của Douglas và các nhà thiên văn học khác tại Đài quan sát Steward.
Chức năng được đề cập bao gồm một buồng thử nghiệm chân không có mục đích chung mà bất kỳ sứ mệnh vệ tinh nhỏ nào trong khuôn viên Tucson đều có thể sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cực cao trong chân không cao. Hơn nữa, buồng TVAC còn cung cấp cho các nhà thiên văn học của Đài thiên văn Steward khả năng tiếp cận các chế độ chân không thấp tới 10-8 Torr – một yêu cầu thiết yếu khi xác nhận thiết bị cao cấp dành cho các nhiệm vụ khoa học như Aspera. Dự án này của NASA, do nhà thiên văn học của Đài quan sát Steward Carlos Vargas dẫn đầu, đang phát triển một vệ tinh nhỏ vật lý thiên văn cực tím sẽ lập bản đồ khí vành giai đoạn nóng-ấm xung quanh các quầng thiên hà gần đó (và, đến lượt nó, làm sáng tỏ sự hình thành và tiến hóa của thiên hà) .
Hệ thống kiểm tra chân không nhiệt: chuẩn bị cho việc đánh giá chất lượng trước khi bay của các vệ tinh nhỏ
Một chức năng khác mà CAAO phải có là cách ly rung động để Douglas và nhóm của ông có thể đánh giá các hệ thống quang học thích ứng chính xác bên trong buồng thử nghiệm TVAC. Về mặt này, RVS đã đề xuất một giải pháp mới bao gồm một bàn quang học được treo bằng các chân khí nén bên ngoài buồng chân không – một cấu hình cách ly quang học đang được thử nghiệm bằng cách làm giảm bất kỳ rung động nào truyền qua sàn tòa nhà (ví dụ: từ giao thông đường bộ hoặc từ cửa mở và đóng).
Montoya kết luận: “Để đáp lại yêu cầu đề xuất, “RVS đã làm rất tốt khi hiểu các yêu cầu kỹ thuật của CAAO và điều chỉnh hệ thống TVAC cho phù hợp – minh chứng cho kiến thức sâu rộng về lĩnh vực kỹ thuật của công ty về thử nghiệm chân không nhiệt cho các ứng dụng nghiên cứu và công nghiệp.”
