从“宽视场红外巡天望远镜”分析 美军光学成像侦察卫星的技术发展

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“宽视场红外巡天望远镜”(WFIRST)是美国航空航天局(NASA)提出的红外空间观测台,在名为“新 世界,新视野”(NWNH)的天文学和天体物理学领域“10年调查”中,该巡天望远镜被美国国家研究委员会 (NRC)选中,作为未来10年天文领域的最高优先级项目。

该望远镜的最新设计方案采用了美国国家侦察局(NRO)赠予的侦察卫星遗留的望远镜系统,对其部件的 跟踪研究将对研究美军绝密级光学成像侦察卫星载荷的发展有一定的帮助作用。

1 项目情况

“宽视场红外巡天望远镜”项目进展一波三折。该项目于2010年进入预研阶段,由于NASA预算紧缩,该项目一度进展缓慢。2011年,NASA接受了美国国家侦察局赠予的侦察卫星遗留望远镜系统,使该项目出现了转机。此后,“宽视场红外巡天望远镜”项目组对侦察卫星望远镜是否适于空间望远镜使用进行了论证,并基于美国国家侦察局望远镜修改了最初的设计方案,新方案于2015年12月通过了任务概念评审。该项目于2016年2月正式进入项目实施阶段。

该项目可追溯到NASA与美国能源部的“联合暗能量任务”(JDEM)。2008年,NASA和美国能源部签署了“联合暗能量任务”的谅解备忘录,该任务的目的是研制用于观测暗能量的空间望远镜。“宽视场红外巡天望远镜”的原始设计基于“联合暗能量任务”的设计建议。2010年8月,美国科学院“10年调查”小组提议,将“宽视场红外巡天望远镜”作为美国推进暗能量研究和寻找新的外星行星的首选空间天文台,建议NASA到2020年发射这架估值16亿美元的观测台。

但是,随着NASA预算的紧缩,NASA只能力保“詹姆斯-韦伯空间望远镜”(JWST),而无暇更多地顾及“宽视场红外巡天望远镜”。科研人员估计NASA无法在2025年前发射“宽视场红外巡天望远镜”,NASA没有足够的资金启动该项目,该计划基本已经变成了“纸上谈兵”。

然而,事情出现了巨大转机。2011年1月,美国国家侦察局向NASA透露,有2架侦察卫星遗留的望远镜可以提供给民用机构。随后,一批科学家被组织起来,秘密地调研利用这2架望远镜做空间天文研究的可行性,这些科学家来自NASA、普林斯顿大学 (Princeton University)、美国空间望远镜科学研究所(STScI)等机构。NASA于2011年8月接受了美国国家侦察局的赠予,并于2012年6月4日正式对外宣布了这一事件,引发了科学界的轰动。除包括2架完整的望远镜外,美国国家侦察局的赠予还包括了一个主反射镜和其他部件。

根据报道,这些部件是20世纪90年代末到21世纪初为已失败的“未来成像体系”(FIA)雷达卫星项目建造的。移交NASA的望远镜是全新的,但所有的CCD探测器和电子部件已被拆除,根据国家保密政策,技术手册大部分内容被马赛克覆盖。也有美国专家分析,这些部件可能是锁眼-11(KH-11)系列卫星的部件。锁眼-11于1976年发射,目前已被视场更宽的新型载荷取代(据分析,应为现役锁眼-12卫星)。尽管美国国家侦察局认为这些部件对于侦察已经过时,但科学家仍认为其是先进的光学系统。

2012年,NASA研究了美国国家侦察局光学成像望远镜对于“宽视场红外巡天望远镜”项目的适用性,得出国家侦察局的望远镜适用于该项目,遗留望远镜口径为2.4m,口径与“哈勃空间望远镜” (HST)相同。而“宽视场红外巡天望远镜”原计划的望远镜口径为1.3m,美国国家侦察局的望远镜解析能力更好,且焦距比“哈勃空间望远镜”短,因此具有更大的视场。2013年,“宽视场红外巡天望远镜”基于国家侦察局的2.4m的望远镜进行了重新设计,使用已有望远镜极大降低了项目风险。

美国国会在2014财年为“宽视场红外巡天望远镜”提供了5600万美元,在2015财年提供了5000万美元,2016年财政支出法案为该项目提供了9000万美元,远高于NASA的1400万美元的预算申请,这意味着该项目将进入实施阶段。2016年1月4日,在第227届美国天文学会(AAS)大会上,NASA天体物理学部主管保罗·赫兹表示,“宽视场红外巡天望远镜” 将在2月进入实施阶段,该阶段标志着NASA项目管理程序的开始。在最初的设计建议基础上,“宽视场红外 巡天望远镜”增加了一些额外的功能,包括利用引力透镜寻找太阳系外行星,探索宇宙的膨胀历史和宇宙结构的增长,广义相对论的一致性和时空的曲率等。 

“宽视场红外巡天望远镜”将成为继“詹姆斯- 韦伯空间望远镜”之后,NASA的下一个旗舰级空间望远镜项目。“宽视场红外巡天望远镜”团队估计, 基于当前的基线设计,该任务成本将达到20亿~23亿美元,预计将在2024年8月发射。专家认为,使用国家侦察局的望远镜并不一定意味着该项目可以节省开支,,其有望成为NASA有史以来第一个使用的侦察卫星望远镜。

尽管NASA选择国家侦察局的一个遗留望远镜作为“宽视场红外巡天望远镜”的研制基础,但目前还没有如何利用第二个遗留望远镜的规划和预算。天文学家已经开始了相关研究,NASA正在考虑几十个提案,但国家侦察局捐赠的唯一条件是禁止进行对地观测。NASA表示第二个遗留望远镜可以用于火星探测器,其观测分辨率是目前“火星勘察轨道器”(MRO)上的“高分辨率成像科学仪器” (HiRISE)的4倍。

2 技术方案

“宽视场红外巡天望远镜”最初基于主镜口径1.3m的三反离轴望远镜系统进行设计,但在该方案设计几乎完成的时候,NASA获得了国家侦察局的望远镜,之后重新论证了基于该遗留的军用天基侦察望远镜,设计红外巡天空间望远镜的技术方案,该新方案称为“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜”(WFIRST-AFTA)设备。

第一版技术方案

宽视场红外巡天望远镜-1.3的方案采用三反离轴无遮拦的光学系统,光学系统口径1.3m,F数为15.9,光学系统工作温度205K。

宽视场红外巡天望远镜-1.3后端有效载荷通道可分为科学载荷和辅助高精度导航敏感载荷2个通道。科学载荷有效视场为0.375deg2(面阵型光学仪器视场的表示方法),成像模式工作谱段覆盖0.78~2.4μm,2种光谱探测模式工作谱段分别覆盖 0.6~2μm与1.5~2.4μm。科学载荷光机结构工作温度为150K,焦平面探测器由36块2K×2K(即每块2048×2048像素数)的碲铬汞(HgCdTe)探测器组成,呈4行9列布局。探测器像元尺寸为18μm, 截止波长为2.5μm,每个探测像元对应瞬时视场为0.18′′,探测器工作温度为100K。宽视场红外巡天望远镜-1.3所设计的科学载荷可以开展超新星观测、星系红移测量、巡天弱目标探测等科学任务。

宽视场红外巡天望远镜-1.3辅助高精度导航敏 感载荷视场为0.04deg2,工作谱段0.6~2.0μm,焦平面探测器由4片2K×2K探测器组成,分布在科学载荷视场两端,每个探测像元对应瞬时视场为0.25′′。辅助高精度导航敏感载荷用于观测时对观测指向进行高精度测量,以实现高精度指向控制。

宽视场红外巡天望远镜-1.3总质量约2.5t, 计划工作于距离地球1.50×106km的拉格朗日2点(L2点)。

第二版技术方案

“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”的运行轨道选定为倾角28.5°的地球同步轨道(GSO),该轨道相比宽视场红外巡天望远镜-1.3的L2轨道,最大的好处是可以保证不间断的数据下传,提高数传速率。但其空间热环境和辐照环境相比L2点轨道要恶劣一些,需在热控和辐射防护方面加强设计。“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”平台的设计必须满足其地球同步轨道的空间运行环境,将基于在地球同步轨道运行的“太阳 动力学观测台”(SDO)进行设计。

载荷方面,“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”主光学系统是一个同轴两反的光学系统。基于国家侦察局望远镜设计,口径为2.4m,F数为8,近轴区域总波前误差小于60nm。次镜位置在轨可以通过机构实现六自由度调整,以获得最佳成像效果。整个光学系统的遮拦比约为30%。主镜由超低膨胀玻璃(ULE)制造,采用艾塞利斯公司 (Exelis)的技术进行轻量化处理,支撑结构采用殷钢。望远镜系统质量约1.2t,包括外遮光罩。

在其他条件相同的情况下,采用“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”技术方案收集红外辐射的能力是宽视场红外巡天望远镜- 1.3的3倍多,极限分辨能力提高了1.9倍,但同时比1.3m口径的方案小了约30%的视场。但尽管如此, 其有效视场约是“哈勃空间望远镜”的“先进巡天相机”(ACS)视场的90倍、宽视场相机-3(WFC-3)视场的200倍,以及“詹姆斯-韦伯空间望远镜”上“近红外相机”(NIRCam)视场的200倍。“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”的科学仪器包括宽视场成像仪(WFI)和日冕观测仪。

3 技术进展分析

从“宽视场红外巡天望远镜”项目的技术发展情况,可以进一步挖掘美军光学成像侦察卫星的技术发展。

重视高分辨率大幅宽设计

此次事件曝光了国家侦察局赠送NASA望远镜的部分技术指标,不论这些遗留望远镜是锁眼-11的部件,还是“未来成像体系”计划遗留的部件,都可从技术发展上看出美国重视高分辨率、大幅宽设计。美国采用缩短焦距的方法,并很可能采用提高探测器规模的方法增大幅宽,同时很可能采用减小像元尺寸以弥补空间分辨率的损失。以上推断可从“哈勃空间 望远镜”到“宽视场红外巡天望远镜”的技术发展过程得以证明。

首先,“哈勃空间望远镜”与“宽视场红外巡 天望远镜”的口径相同,均为2.4m,在相同工作波长条件下,具有相同的角分辨率,而“宽视场红外巡天望远镜”的焦距更短,从而实现了较大的幅宽。其次,“宽视场红外巡天望远镜”的焦平面技术与“哈 勃空间望远镜”相比,已经先进很多。“宽视场红外 巡天望远镜”的红外相机采用了红外碲铬汞探测器拼接技术,将18块4K×4K像元数的探测器拼接在一起,使整个焦平面的尺寸是“哈勃空间望远镜”单块碲铬汞探测器的10余倍。焦距缩短与探测器总体尺寸的增大,使“宽视场红外巡天望远镜”的视场是“哈勃空间望远镜”的100倍。

次镜促动器进行精确对焦

组成望远镜的各镜片曲率半径和镜片间距决定了望远镜的焦距。目前,民用相机可以通过拉伸镜筒的方式(即改变镜片间距)使镜头变焦,但空间望远镜一般很难通过镜片的移动改变焦距,所以仍是“定焦”镜头。国家侦察局遗留的望远镜次镜带有促动 器,可实现精确的对焦,使图像焦点清晰锐利。

重视探测器技术的发展

在国家侦察局赠送NASA望远镜之前,已经把探测器拆除,说明探测器是绝密中的绝密部件。探测器像元尺寸越小,空间分辨率越高。“宽视场红外巡天望远镜-天体物理学聚焦望远镜设备”红外相机 探测器像元尺寸从“哈勃空间望远镜”的18μm缩小到10μm,同时单块探测器像元数量增加了16倍,从“哈勃空间望远镜”的1K×1K发展到4K×4K,再通过探测器拼接技术,实现了大规模的焦平面阵列。

反射镜材料和加工技术进一步保障了清晰的图像

国家侦察局遗留望远镜曝光了侦察卫星采用的主反射镜材料与“哈勃空间望远镜”的相同,为超低膨胀玻璃材料。该材料具有很强的热稳定性,适于严酷的空间工作热环境;采用蜂窝夹心结构,不但有利于镜片轻量化,而且提高了镜片的结构强度;曝光了遗 留望远镜具有系统近轴区域总波前误差小于60nm的指标,说明美国具有很高的反射镜高精度加工技术。

4 启示

从“哈勃空间望远镜”到“宽视场红外巡天望 远镜”的技术发展,从侧面说明了美国高分辨率光学成像侦察卫星有效载荷向高分辨率、大幅宽发展,向具有更强的红外成像能力发展,向具有自动对焦技术发展。大口径反射镜的材料技术、加工技术是保障高分辨率光学成像侦察卫星发展的重要基础。探测器技术是国外高度重视的技术领域,尤其是红外探测器技术,美国探测器规模和像元尺寸等技术指标已经实现了大跨度的进步,这些技术发展动向值得高度关注。 

【作者：刘韬1 龙亮2(1 北京空间科技信息研究所 2 北京空间机电研究所) 】

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