¿Por qué estas dos cámaras estelares del telescopio espacial Hubble apuntan casi en la misma dirección y para qué sirve la otra ventana?

Los tres "seguidores de estrellas de cabeza fija" no apuntan "casi en la misma dirección", son casi* ortogonales.

Proporcionan detección de actitud a alrededor de 60 segundos de arco para apuntar el observatorio en la dirección correcta.

En cuanto a por qué se usa esta disposición, proporciona suficiente precisión mientras funciona bien para el diseño de la nave espacial. (Sospecho que los recortes en el obenque de popa son un fuerte impulsor del diseño)

* Sí, casi es una hipérbole, sin embargo, debido a que la trigonometría se usa para determinar la actitud, 44,4 grados es el 70 % del camino hacia la ortogonal en comparación con el 18 % de 10 grados (generosos) para algo que "apunta casi en la misma dirección".

¿Y qué es la gran "ventana salediza" rectangular negra?

Esa es una de las bahías de instrumentos radiales del Hubble . Actualmente contiene la cámara de campo amplio 3. Esta representación de DOUG muestra la cámara "saliendo" de la bahía.

¿Por qué los dos inferiores apuntan casi en la misma dirección?

Como dice esta respuesta , los tres orificios debajo de la "ventana salediza" son las aberturas para los rastreadores de estrellas de cabeza fija de Hubble. Esta representación de DOUG muestra los FHST, y una fotografía de ellos está en la respuesta vinculada.

Los ángulos de observación de los dos FHST inferiores están separados por 60 grados en el plano "1-2" del Hubble. El ángulo de visión entre los FHST inferior y superior está separado por 45 grados en el plano "1-3". Los ejes son como se muestran aquí.

Los vectores unitarios para los FHST se dan aquí.

Los vectores unitarios y la imagen del sistema de coordenadas provienen de este documento que contiene una discusión útil sobre cómo se usan los FHST en el esquema de orientación general del Hubble. Aquí hay un extracto:

Los FHST son rastreadores de estrellas antiguos de la NASA Standard 1970 fabricados por Ball Brothers. ⁷ Emplean una técnica electrónica de búsqueda y seguimiento utilizando un tubo de disección de imagen analógica y un detector fotomultiplicador junto con la electrónica de apoyo. Los FHST tienen un FOV de 8° x 8° y son capaces de adquirir y rastrear estrellas entre 2,0 y 6,5 de magnitud visual (mv). Los rastreadores proporcionan una salida de posición de estrella horizontal y vertical digital a la computadora de vuelo HST a una frecuencia de muestreo de 10 Hz. El ángulo equivalente de ruido FHST es 16 asec RSS. A diferencia de los rastreadores de estrellas modernos, los FHST no tienen procesamiento interno para generar cuaterniones de actitud, y los errores de actitud de los FHST se calculan a bordo de la computadora de vuelo HST.

actualizado para ser solo una respuesta complementaria. Hubo una pregunta sobre las dos cámaras a cada lado de la línea de simetría y si apuntaban en "casi la misma" dirección o apuntaban más cerca de las direcciones ortogonales.

La pregunta dice:

... ¿por qué los dos inferiores apuntan casi en la misma dirección?

Si entiendo correctamente el documento vinculado, resulta que el ángulo entre los dos es inferior a 45 grados y, aunque no es "casi igual", está más cerca del paralelo que del ortoginal.

Tabla 3. en el documento vinculado Diseño, implementación y rendimiento en órbita de la ley de control giroscópico reducido del telescopio espacial Hubble; AAS 08-278 en la respuesta de @OrganicMarble parece dar exactamente eso, vectores unitarios para las direcciones de las tres cámaras. Los arcocosenos de los productos escalares nos dan el ángulo entre pares, que es

pair        angle (deg)
1 - 2       49.1, 
2 - 3       44.4
3 - 1       49.1

El número 1 [0, 0, -1] es la cámara superior de la pregunta, ya que es la única que apunta perpendicular al eje del telescopio. Obtengo un ángulo entre las otras dos cámaras de 44,4 grados.

import numpy as np

degs = 180/np.pi
vecs = np.array([[0, 0, -1],
                 [-0.6547, -0.3779, -0.6546],
                 [-0.6547, +0.3779, -0.6546]])
print([degs*np.arccos(np.dot(vecs[i], vecs[(i+1)%3])) for i in range(3)]) # they're fairly well normalized

Estos se toman prestados de la respuesta vinculada de @OM, haga clic para ver el tamaño completo o, mejor aún, ¡disfrútelos mientras lee esa respuesta!