在浩瀚的宇宙中，人類對太空的探索與維護工作日益頻繁，如何確保昂貴的太空資產能夠長期運作，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革命性的變革，為未來太空維修技術的發展指明了方向。
立方體衛星：太空維修的革命性力量
立方體衛星是一種體積小巧、重量輕、成本低廉且部署靈活的微型衛星，其標準尺寸為 10 厘米 x 10 厘米 x 10 厘米，重量不超過 1.33 公斤。由於其體積小、重量輕，因此可以通過小型火箭或其他載具輕鬆發射到太空，大大降低了發射成本。
立方體衛星的體積小巧、重量輕、成本低廉以及部署靈活等特性，使其成為執行太空維修任務的理想選擇。相較於傳統大型維修航天器，立方體衛星擁有以下優勢：
- 成本效益高：立方體衛星的研發和製造成本遠低於大型航天器，可以有效降低太空維修的成本。
- 部署靈活：立方體衛星可以通過小型火箭或其他載具輕鬆發射到太空，部署更加靈活便捷。
- 任務多樣性：立方體衛星可以執行多種任務，例如組裝、維修、燃料補給、太空垃圾清除等，滿足不同的太空維修需求。
立方體衛星的燃料最佳化與無碰撞太空維修
立方體衛星的推進能力與運算資源有限，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，成為一項極具挑戰性的課題。傳統的軌跡規劃方法，往往需要將複雜的飛行軌跡分解成多條弧線分段求解，導致計算複雜度呈指數級增長，效率大打折扣。同時，也难以避免立方體衛星在飛行過程中发生碰撞。
伊利諾大學厄巴納-香檳分校的科學家們開發出一套創新的軌跡優化演算法，解決了立方體衛星燃料最佳化和無碰撞太空維修的難題。這套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。
研究團隊採用了「目標相關圓形受限三體問題動力學模型」和「間接優化方法」，以及「防碰撞路徑不等式約束」，來實現燃料最佳化和無碰撞太空維修。他們創新地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，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。
立方體衛星太空維修的應用案例
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。
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