下一代太空維修技術躍進：立方體衛星實現燃料最佳化、無碰撞太空維修

為了讓人類在太空的活動更加安全、高效，科學家們正積極研發更先進的太空維修技術。近日，伊利諾大學厄巴納-香檳分校 (University of Illinois at Urbana-Champaign) 的研究團隊，為體積極小的立方體衛星 (CubeSat) 開發出一套創新的軌跡優化演算法，讓這些小巧的衛星也能執行精確的太空維修任務，為未來的在軌服務 (In-orbit Servicing, IOS) 領域開啟了嶄新的一頁。

這項研究的重點，在於為立方體衛星設計出一種更節省燃料、且能避免碰撞的飛行軌跡規劃方法。研究團隊透過精密的數學建模，成功克服了深太空環境中距離尺度帶來的嚴峻挑戰，使得多個立方體衛星能夠協同合作，執行太空望遠鏡的組裝、維修等複雜任務。更令人振奮的是，這項研究在演算法開發過程中取得了一項重大突破，成功解決了長期以來困擾學界的數值計算難題，其研究成果不僅在太空領域具有劃時代的意義，更可廣泛應用於其他需要精確軌跡規劃的領域。

隨著部署於太空中的人造衛星、太空望遠鏡、以及各式航天器數量日益增長，如何確保這些昂貴的太空資產能夠長期穩定運作，並在必要時進行維護與升級，已成為太空任務成功的關鍵要素。傳統的太空維修任務，往往需要派遣大型、複雜的維修航天器執行，不僅成本高昂，任務風險也相對較高。而立方體衛星的出現，為太空維修領域帶來了全新的可能性。

相較於傳統大型航天器，立方體衛星具有體積小、重量輕、製造成本低廉、以及部署彈性高等諸多優勢。透過群集部署多個立方體衛星，即可形成一個功能強大的「太空維修團隊」，執行組裝、維修、燃料補給、甚至太空垃圾清除等多種在軌服務任務。然而，立方體衛星的推進能力與運算資源相對有限，如何讓這些小巧的衛星，在浩瀚的太空中安全、精準地抵達目標，並完成複雜的維修任務，便成為一項極具挑戰性的課題。

伊利諾大學厄巴納-香檳分校航空太空工程系的博士生 Ruthvik Bommena，與其導師 Robyn Woollands 攜手合作，針對立方體衛星的軌跡規劃問題，展開深入研究。他們開發出一套全新的演算法，能夠為立方體衛星群體，規劃出最佳的飛行路徑，在最大限度節省燃料消耗的同時，確保衛星之間始終保持至少五公尺的安全距離，有效避免碰撞風險。Bommena 指出：「我們開發的這套方案，能夠讓立方體衛星在避免碰撞的前提下，實現高效的軌道運行。考量到立方體衛星的機載運算能力有限，這些飛行軌跡都需要由任務設計工程師預先計算完成。」

為了驗證這套演算法的效能，研究團隊進行了多次模擬測試，模擬情境為由兩顆、三顆或四顆立方體衛星組成的維修群體，協同運送模組化組件，前往正在軌道上運行的太空望遠鏡進行維修。模擬結果顯示，這套演算法能夠有效地為立方體衛星規劃出燃料效率極佳，且安全可靠的飛行軌跡，充分展現了其在太空維修任務上的應用潛力。Bommena 強調：「這些軌跡的運算難度非常高，但我們成功開發出一種創新技術，確保演算法輸出的軌跡方案，始終維持在燃料最佳化的狀態。」

研究團隊在演算法開發過程中，面臨的最大挑戰，莫過於深太空環境中極其龐大的距離尺度。以詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope, JWST) 為例，其運行軌道距離地球約 150 萬公里，位於太陽與地球引力相互拉扯的日地拉格朗日點 L2 (Sun-Earth L2 Lagrange point)。拉格朗日點是深太空探測任務的理想軌道位置，能夠讓衛星在遠離太陽干擾的情況下，保持穩定的軌道運行狀態。然而，如此遙遠的距離，也為軌跡計算帶來了巨大的數值穩定性挑戰。

為了解決深太空距離尺度帶來的數值難題，Bommena 與 Woollands 創新地開發出一套「目標相關圓形受限三體問題動力學模型」(Target-relative Circular Restricted Three-body Problem dynamics model)。Bommena 解釋說：「為了降低太陽與地球之間巨大距離所造成的數值計算難度，我們首先將坐標系統的原點，沿著 X 軸方向，從日地系統的質心，移動到日地拉格朗日點 L2 的位置，然後以此為基礎，推導出相對於目標航天器的運動方程式。此外，我們還引入了一種新的距離單位，採用縮放因子，根據原始距離測量值，按比例調整距離尺度。」

在軌跡優化演算法的設計上，研究團隊採用了「間接優化方法」(Indirect optimization method)，以確保演算法輸出的軌跡方案，始終維持在燃料最佳化的狀態。相較於傳統的「直接優化方法」(Direct optimization method)，間接優化方法雖然在計算上更為複雜，但能夠更精確地找到全局最佳解，確保燃料使用效率達到極致。同時，研究團隊也將「防碰撞路徑不等式約束」(Collision avoidance path inequality constraints) 作為硬性條件，納入最佳控制公式之中，確保立方體衛星在整個飛行過程中，始終嚴格遵守安全距離限制，徹底杜絕碰撞風險。

Bommena 進一步說明，傳統的軌跡優化方法，無論是直接法或是間接法，在處理避碰問題時，往往會將複雜的飛行軌跡分解成多條弧線分段求解，反而導致計算複雜度呈指數級增長，效率大打折扣。「我們創新提出的方法，則能夠將整個飛行軌跡視為單一弧線進行求解，從起點直接抵達終點，無需繁瑣的分段計算。這種一氣呵成式的解法，不僅大幅簡化了計算流程，更顯著提升了燃料使用效率，讓立方體衛星能夠以更少的燃料，完成更長距離、更複雜的太空維修任務。」

值得一提的是，Bommena 在演算法開發過程中取得的突破性進展，竟是在一次長途飛行旅程中意外實現的。他回憶道：「在數學理論上，我們的演算法模型是可行的。但我們在實際操作時，遇到的主要挑戰，是如何有效地處理複雜的數值計算問題。在一次長途飛行途中，我持續不斷地編寫程式碼，嘗試各種不同的解決方案。就在某個瞬間，程式突然跑出了正確的解答。起初，我簡直不敢相信自己的眼睛，反覆驗證了好幾次，才確認演算法真的成功了。那一刻，我感到無比的興奮與激動，接下來的幾天，心情都非常愉快。」

儘管這項研究的目標，是為了提升太空服務與太空組裝任務的安全性和效率，但研究團隊所開發出的軌跡優化方法，卻展現出極高的靈活性與通用性。

Bommena 強調，這套演算法不僅適用於太空維修領域，更可廣泛應用於其他需要進行精確軌跡規劃的任務情境，例如無人機路徑規劃、自動駕駛車輛導航、甚至是機器人運動控制等領域，都可望借助這項創新技術，實現更高效、更安全的運行模式。

 

 

• 新聞來源:https://scitechdaily.com/next-gen-space-repair-using-cubesats-for-precision-servicing-missions/