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可展开空间光学望远镜技术发展及展望

胡斌 李创 相萌 李亮亮 戴昊斌 姚佩 李旭阳

胡斌, 李创, 相萌, 李亮亮, 戴昊斌, 姚佩, 李旭阳. 可展开空间光学望远镜技术发展及展望[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20210199. doi: 10.3788/IRLA20210199
引用本文: 胡斌, 李创, 相萌, 李亮亮, 戴昊斌, 姚佩, 李旭阳. 可展开空间光学望远镜技术发展及展望[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20210199. doi: 10.3788/IRLA20210199
Hu Bin, Li Chuang, Xiang Meng, Li Liangliang, Dai Haobin, Yao Pei, Li Xuyang. Development and prospects of deployable space optical telescope technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(11): 20210199. doi: 10.3788/IRLA20210199
Citation: Hu Bin, Li Chuang, Xiang Meng, Li Liangliang, Dai Haobin, Yao Pei, Li Xuyang. Development and prospects of deployable space optical telescope technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(11): 20210199. doi: 10.3788/IRLA20210199

可展开空间光学望远镜技术发展及展望

doi: 10.3788/IRLA20210199
基金项目: 国家自然科学基金(61427811)
详细信息
    作者简介:

    胡斌,男,工程师,博士生,主要从事空间光学遥感器精密结构技术方面的研究

    通讯作者: 李创,男,研究员,博士生导师,博士,主要从事空间光学遥感技术方面的研究。
  • 中图分类号: TP79; TH751

Development and prospects of deployable space optical telescope technology

  • 摘要: 为了获得更高的角分辨率,空间光学望远镜的口径越来越大,口径超过4 m的空间望远镜将难以突破现有运载火箭整流罩有效包络的限制。另一方面,在研制周期及成本等方面拥有较大优势的微纳光学遥感卫星也对提高空间分辨率和集光面积有广泛的需求,需要在较小的发射体积里容纳下较大的光机系统,以降低发射成本。可展开空间光学望远镜将成为解决发射尺寸受限的可行方式。从大口径空间天文望远镜、分块式可展开对地观测望远镜和光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜等方面对国内外可展开空间光学望远镜的研究现状进行了综述。对可展开空间光学望远镜涉及到的一些关键技术和发展趋势进行了阐述和归纳。
  • 图  1  (a) JWST展开后的主镜;(b) JWST在轨展开过程

    Figure  1.  (a) JWST primary mirror deployed; (b) Deployment sequence of JWST in orbit

    图  2  (a) LUVOIR-A和(b) LUVOIR-B折叠及展开状态[12]

    Figure  2.  Stowed and deployed configurations of LUVOIR-A (a) and LUVOIR-B (b)

    图  3  分块反射镜望远镜

    Figure  3.  Segmented Mirror Telescope (SMT)

    图  4  (a)卫星展开工作状态;(b)光学相机主镜折叠状态

    Figure  4.  (a) HOASIS in deployed configuration; (b) Primary mirror of optical instrument in stowed configuration

    图  5  (a)主次镜折叠状态;(b)主次镜展开状态

    Figure  5.  (a) Primary and secondary mirror in stowed configuration; (b) Primary and secondary mirror in deployed configuration

    图  6  展开状态下的TU Delft DST

    Figure  6.  TU Delft DST in deployed configuration

    图  7  高分辨率可展开对地观测立方星

    Figure  7.  High-resolution deployable CubeSat for Earth observation

    图  8  (a) DISCIT光学系统;(b) DISCIT示意图;(c)折叠状态的铰链;(d)展开状态的铰链

    Figure  8.  (a) Optical layout of DISCIT; (b) Schematic diagram of DISCIT; (c) The stowed hinge; (d) The deployed hinge

    图  9  (a)零重力环境下展开示意图;(b)主镜子镜压缩弹簧驱动机构

    Figure  9.  (a) Proof of concept of deployment in zero gravity; (b) Primary mirror segments deployed by compressing springs

    图  10  (a)折叠状态下的DPT;(b)展开状态下的DPT

    Figure  10.  (a) The stowed DPT; (b) The deployed DPT

    图  11  (a)折叠状态下的主镜;(b)展开状态下的主镜

    Figure  11.  (a) Primary mirror in stowed configuration; (b) Primary mirror in deployed configuration

    图  12  (a) PRISM在轨示意图;(b)可展开臂的框架结构

    Figure  12.  (a) Overview of the PRISM in orbit; (b) Flame structure of the deployable boom

    图  13  (a)可折叠多布森空间望远镜;(b)收缩(左图)及展开(右图)状态下的可展开主结构

    Figure  13.  (a) Collapsible Dobson space telescope; (b) Deployable tube primary structure shown collapsed (left) and deployed (right)

    图  14  (a)折叠状态;(b)展开状态;(c)部件的运动方向

    Figure  14.  (a) Stowed configuration; (b) Deployed configuration; (c) Movement directions of components

    图  15  (a)展开状态下的镜筒;(b)安装在主镜后面的弹簧马达

    Figure  15.  (a) Deployable barrel in deployed configuration; (b) Spring motor mounted below primary mirror

    图  16  展开机构工作原理

    Figure  16.  Working principle of the deployment mechanism

    表  1  国外可展开空间光学望远镜部分典型项目

    Table  1.   Some typical projects of foreign deployable space optical telescopes

    ProjectApplicationCountryLaunch timeWorking spectrumAperture/mSpatial resolutionMass/kgAdjustment ability
    JWSTAstrophysicsUSA20210.6-28.5 μm6.50.1"6200Six DOFs + radius of curvature
    LUVOIR-AAstrophysicsUSA20390.1-2.5 μm15≤16 milli-arcseconds at 500 nm27801Six DOFs positioning
    LUVOIR-BAstrophysicsUSA20390.1-2.5 μm8≤16 milli-arcseconds at 500 nm15132Six DOFs positioning
    SMTEOUSA0.4-0.7 μm3Six DOFs + face sheet actuation
    HOASISEOESA0.45-0.79 μm,
    MWIR, LWIR
    72 m@36000 km8662Five DOFs
    AODSEO and ScienceFrance~17Piston/tip/tilt
    TU Delft DSTEONetherlands0.45-0.7 μm1.50.25 m@500 km<100Piston/tip/tilt
    HighResEOUnited KingdomVisible0.30.92 m@500 km8Piston/tip/tilt
    DISCITEOUSA0.39-0.7 μm0.70.5 m@500 km~17Piston/tip/tilt
    OCULUSEOGermany0.261.2 m@400 kmTilt
    DPTEOUSAVisible0.21.3 m@500 kmTilt
    ScopeSatEOPoland2023Visible<1 m@300-350 km10Piston/tip/tilt
    PRISMEOJapan2009Visible0.0930 m@660 km8.5
    CDSTEOUSAVisible0.1521.2 m@250 km10Piston/tip/tilt of the secondary mirror
    Surrey DSTEOUSAVisible0.31 m@500 km<100Piston/tip/tilt of the secondary mirror
    Auckland DOCEONew ZealandVisible0.09
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-26
  • 修回日期:  2021-05-24
  • 网络出版日期:  2021-12-03
  • 刊出日期:  2021-11-25

可展开空间光学望远镜技术发展及展望

doi: 10.3788/IRLA20210199
    作者简介:

    胡斌,男,工程师,博士生,主要从事空间光学遥感器精密结构技术方面的研究

    通讯作者: 李创,男,研究员,博士生导师,博士,主要从事空间光学遥感技术方面的研究。
基金项目:  国家自然科学基金(61427811)
  • 中图分类号: TP79; TH751

摘要: 为了获得更高的角分辨率,空间光学望远镜的口径越来越大,口径超过4 m的空间望远镜将难以突破现有运载火箭整流罩有效包络的限制。另一方面,在研制周期及成本等方面拥有较大优势的微纳光学遥感卫星也对提高空间分辨率和集光面积有广泛的需求,需要在较小的发射体积里容纳下较大的光机系统,以降低发射成本。可展开空间光学望远镜将成为解决发射尺寸受限的可行方式。从大口径空间天文望远镜、分块式可展开对地观测望远镜和光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜等方面对国内外可展开空间光学望远镜的研究现状进行了综述。对可展开空间光学望远镜涉及到的一些关键技术和发展趋势进行了阐述和归纳。

English Abstract

    • 相对于地基望远镜而言,空间光学望远镜受大气湍流影响小,且不受地理位置限制[1],因此在天文探索、对地观测和军事应用等领域发挥着重要的作用。随着空间遥感技术的迅速发展和空间探测精度的不断提高,人们对空间光学望远镜的分辨率要求也越来越高[2]。根据瑞利判据可知,增大通光口径是提高系统分辨率的重要手段之一。然而因受到材料工艺、加工制造、装调检测以及运载能力等方面的限制,口径超过4 m的空间望远镜将不适于采用单体主镜形式。与单体主镜望远镜相比,可展开空间光学望远镜虽然在工程实现上更为复杂,但其已成为解决大口径光学望远镜研制和发射难题的重要方式之一,在未来的高分辨率天文探索和对地观测中具有巨大的应用潜力。

      随着商业航天的快速发展和社会需求的不断提高,微纳遥感卫星作为一类重要的应用卫星,体积小、质量轻、成本低,研制周期短,在军用、民用以及空间科学与技术试验等领域发挥着越来越重要的作用,在针对突发事件的快速响应方面日益显示出不可替代的作用。采用可展开光学系统的微纳遥感卫星可以进一步缩小发射体积,减轻质量,能够大幅降低高分辨率对地观测卫星的发射成本。

      可展开空间光学望远镜的展开主体一般涉及到分块式主镜、可展开次镜及可展开遮光罩等。分块可展开空间光学系统的主要特点是主镜由一定数量较小尺寸的子镜组成,利用展开机构控制主镜和次镜的折叠与展开,发射时折叠,入轨后展开,借助波前传感与控制技术精确地拼接成一个共相位主镜,达到望远镜在轨工作性能要求。分块可展开空间光学系统较多应用于大口径空间天文望远镜和分块式可展开对地观测望远镜。此外,微纳遥感卫星尤其是立方星也较多利用仅在光轴方向展开次镜及遮光罩的形式,极大程度地提高了运载火箭整流罩的空间利用率,为卫星的大规模部署创造了有利条件。

      国外早已开展了可展开空间光学望远镜的研究工作,一些大型项目也已经进入到工程实施阶段,而我国在该方面的研究起步较晚。文中主要从大口径空间天文望远镜、分块式可展开对地观测望远镜和光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜等方面对国内外可展开空间光学望远镜的研究现状进行了整理和分析。对可展开空间光学望远镜光机结构和热控方面涉及到的关键技术进行了阐述,并对发展趋势进行了简要的归纳。

    • 光学系统的最小分辨角与口径成反比,集光能力与口径的平方成正比,因此,增大口径对于天文观测及暗弱目标识别至关重要。采用可展开空间望远镜技术建造分块式大口径空间光学望远镜,对空间天文观测等太空探索活动具有重大意义。

    • 由美国航空航天局牵头研制的詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)作为目前世界上采用空间分块可展开成像技术的唯一工程化项目,受到广泛关注。JWST是工作于日地第二拉格朗日点(L2)附近轨道的低温红外天文望远镜,探测谱段为0.6~28.5 μm,在2 μm波段达到角分辨率0.1″的衍射极限,主要用于研究星系、恒星和行星系统的起源和演化[3-4]

      JWST光学望远镜为三反射镜消像差系统,由主镜、次镜、三镜和精密转向镜等组成[5]。分块式可展开主镜由18块边到边距离约为1.3 m的六边形铍质子镜拼接而成,由一对铰链和每个主镜翼(两侧各一)上四个闩锁组成的主镜展开机构[6]在发射时折叠收拢,入轨后展开锁定,将两侧子镜(每侧三个)机械调整入位。借助波前传感与控制技术[7]完成18块子镜的共焦共相。展开后的主镜等效为口径6.5 m的圆形镜片,集光面积达到25 m2,如图1(a)所示。

      图  1  (a) JWST展开后的主镜;(b) JWST在轨展开过程

      Figure 1.  (a) JWST primary mirror deployed; (b) Deployment sequence of JWST in orbit

      JWST次镜展开机构为步进电机驱动的可展开三脚支架型四连杆机构,包含具有两个刚性支柱和一个带有驱动及闩锁机构的铰接支柱。发射时,次镜展开机构折叠固定在望远镜主背板结构上;入轨展开阶段,通过“解锁-展开-锁定”的展开流程,完成次镜部件的高精度展开和可靠支撑。此外,超低热膨胀系数复合材料的支撑连杆具有较高的轻量化率和优异的力热稳定性能,已经顺利通过了发射前次镜展开机构的重力卸载式展开测试[8]

      精密转向镜提供精确的指向和成像稳定度[9]。采用大面积可展开遮阳板[10]与被动制冷相结合的热控方式。JWST入轨后的整个展开过程如图1(b)所示。

    • 大型紫外/光学/红外巡天望远镜(Large UV/Optical/IR Surveyor, LUVOIR)是一种在概念和设计上与JWST相似的可展开空间天文望远镜[11]。目前,LUVOIR望远镜有两个设计方案,LUVOIR-A是一个同轴的15 m口径分块拼接式望远镜,其主镜由120块边到边尺寸为1.223 m的子镜组成。LUVOIR-B是一个离轴的8 m口径分块拼接式望远镜,其主镜由55块边到边尺寸为0.955 m的子镜组成。图2(a)图2(b)分别为折叠和展开状态下的LUVOIR-A、LUVOIR-B望远镜。

      图  2  (a) LUVOIR-A和(b) LUVOIR-B折叠及展开状态[12]

      Figure 2.  Stowed and deployed configurations of LUVOIR-A (a) and LUVOIR-B (b)

      LUVOIR使用与JWST相同的“翼形折叠”概念[13],将主镜包裹在中央仪器柱周围。LUVOIR-A在主镜的每一侧都有两条铰链线,而由于搭载的火箭整流罩更小,LUVOIR-B每一侧有三条铰链线,使折叠的主镜可以更接近圆柱形,从而可以更有效地利用整流罩空间。

      LUVOIR两种方案的次镜展开机构存在较大差异。LUVOIR-A使用与JWST类似的设计,次镜向上折叠并位于主镜后面。而LUVOIR-B因光学系统无遮拦的要求,使用单个桁架结构。三块平板展开并闩锁在一起,形成坚固的三角形横截面梁。

    • 空间光学高分辨率对地观测已经成为国防安全、地图测绘、资源普查、环保减灾和城市规划等军民用领域获取信息的重要手段。分块式可展开对地观测望远镜主要指分块式可展开主镜望远镜,往往也同时涉及次镜的展开。分块式可展开对地观测望远镜增大了光学系统的焦距和孔径,能有效提高空间分辨率。

    • 由美国国防部负责开发的分块反射镜望远镜(Segmented Mirror Telescope, SMT)展示了发展大型空间拼接反射镜的关键技术,包括轻量化主动反射镜、展开机构以及波前传感和控制技术[14-15]。SMT采用卡塞格林光学结构,3 m口径主镜由六块1 m口径碳化硅材料六边形子反射镜拼接而成。每块主动子镜均为一种采用平行致动原理的能动混合镜,能够提供校正子镜镜面局部和全局面形的高致动能力。SMT原理样机如图3所示。

      图  3  分块反射镜望远镜

      Figure 3.  Segmented Mirror Telescope (SMT)

    • 欧洲宇航局提出了高轨光学合成孔径监视成像卫星(High Orbit optical Aperture Synthesis Instrument for Surveillance, HOASIS)项目[16-19],在地球静止轨道以2 m超高分辨率实现每天一次覆盖欧洲的例行调查和对特定区域的应急观测,如图4(a)所示。光学系统采用Korsch型光学合成孔径方案,焦距108 m,视场角0.1°,成像谱段覆盖全色、多光谱、中波红外(Mid-Wave Infrared, MWIR)和长波红外(Long-Wave Infrared, LWIR)。等效口径为7 m的可展开主镜由六块直径为2 m的子镜拼接而成,发射时子镜通过铰链向内折叠,以适配Ariane-5运载火箭,如图4(b)所示。主镜子镜和次镜均包含纳米级五自由度(Degree of Freedom, DOF)调节机构,用于实现子镜展开后主镜和次镜的精确定位。提出了调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)与信噪比乘积优于4的成像质量要求。

      图  4  (a)卫星展开工作状态;(b)光学相机主镜折叠状态

      Figure 4.  (a) HOASIS in deployed configuration; (b) Primary mirror of optical instrument in stowed configuration

    • 法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司提出了面向未来对地观测及科学任务的可展开系统主动光学(Active Optics in Deployable Systems, AODS)研究项目[20],如图5所示。该项目旨在评估将主动光学技术应用于对地观测(比如地球静止轨道高分辨率成像)和科学任务(比如类地系外行星成像及表征)所需的大型可展开系统校正的可行性。次镜的展开方案基于带状弹簧展开技术[21-23],具有折叠状态下次镜直接固定在中央主结构上的形式简单、展开状态下相比铰接梁更低的阻塞及卡死风险,以及展开过程平稳可控等优点。与同样是六边形子镜拼接主镜的JWST不同,该项目主镜采用整体对半折叠方式。相比铰接式折叠杆的优势是,支撑次镜的三根直径120 mm带状弹簧可弯曲以适应折叠位置,并且能够在三个方向(piston/tip/tilt)进行主动校正。主镜子镜边到边距离为1.38 m,背部安装有校正系统,确保系统全局波前误差优于38 nm (RMS)。

      图  5  (a)主次镜折叠状态;(b)主次镜展开状态

      Figure 5.  (a) Primary and secondary mirror in stowed configuration; (b) Primary and secondary mirror in deployed configuration

    • 荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)可展开空间望远镜(Deployable Space Telescope, DST)旨在大幅降低高分辨率对地观测望远镜的发射成本,以满足更高时间分辨率和更低价格遥感数据的市场需求[24-25]。DST光学系统为斐索型合成孔径环形视场Korsch三反消像差系统,如图6所示。设计轨道高度为500 km,地元分辨率为0.25 m,衍射极限为550 nm,展开后孔径为1.5 m。四块主镜子镜的材料选择为碳化硅,可在最为关键的piston/tip/tilt三个方向致动,通过主镜支撑结构连接到望远镜主框架。次镜展开机构由四个展开臂组成[26]。每个展开臂均通过柔性滚动单元铰链连接至望远镜主体和望远镜最前端的次镜十字框架,展开臂和柔性滚动单元铰链确保了次镜十字框架的稳定性。碳纤维复合材料展开臂主要利用应变能进行展开,具有质量轻、复杂性低、精度高和重复性好,以及优异的热性能等优点。

      图  6  展开状态下的TU Delft DST

      Figure 6.  TU Delft DST in deployed configuration

      为了限制热环境变化导致的光学支撑结构变形,同时满足质量和体积要求,设置了可展开遮光罩[27]。可展开遮光罩由可充气臂的支撑结构组成,该支撑结构被隔热多层材料完全包围。可充气臂由铝卡普顿层合薄膜制成,由四个冷气体发生器产生的氮气使该结构膨胀。

    • 英国天文技术中心提出在3U(1U为10 cm×10 cm×10 cm,下同)立方体卫星上实现高分辨率可展开成像系统HighRes[28],该系统由四瓣拼接主镜构成的卡塞格林望远镜形成等效口径300 mm的可展开望远镜,如图7所示。该系统在全视场内达到衍射极限性能,可在500 km轨道高度上获得0.92 m的全色地元分辨率。主镜子镜的对准和共相根据焦面锐度信息来完成,通过数值仿真进行了验证,表明在压电驱动丝杠电机和电容传感器测量系统之间采用闭环反馈控制手段,可以将反射镜以25 nm的精度驱动到所需共相位置[29-30]

      图  7  高分辨率可展开对地观测立方星

      Figure 7.  High-resolution deployable CubeSat for Earth observation

    • 麻省理工学院可展开空间相干成像望远镜(The Deployable In-Space Coherent Imaging Telescope, DISCIT)项目旨在开发一种口径为700 mm的可展开稀疏孔径望远镜[31],通过四块子镜的展开以实现700 mm的成像基线,从而在500 km轨道高度上获得0.5 m分辨率的图像,如图8(a)8(b)所示。DISCIT使用柔性复合材料铰链进行主镜子镜的展开和初步定位[32-34],该铰链可以实现优于10 μm的piston轴向位置重复精度以及优于100 μrad的tip/tilt角度重复性。其次,通过位于每个复合铰链及其主镜子镜之间的三个压电致动器,使用基于图像的闭环校准方法对子镜进行共相。图8(c)图8(d)分别为折叠及展开状态的铰链。

      图  8  (a) DISCIT光学系统;(b) DISCIT示意图;(c)折叠状态的铰链;(d)展开状态的铰链

      Figure 8.  (a) Optical layout of DISCIT; (b) Schematic diagram of DISCIT; (c) The stowed hinge; (d) The deployed hinge

    • 德国布伦瑞克工业大学与弗劳恩霍夫协会层和表面技术研究所等提出的超轻型稳健航天器结构光学涂层[35](Optical Coatings for Ultra Lightweight Robust Spacecraft Structures, OCULUS)项目的目标是开发一种高质量的金属化工艺,用于对高精度碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)结构进行表面改性[36]。该技术可以构建适于空间环境、超轻质量且经济高效的反射镜,并将演示小型空间望远镜概念。提出的OCULUS-Cube验证卫星基于1U立方星平台,采用R-C光学系统[37],400 km轨道高度地元分辨率为1.2 m。超高模量碳纤维主镜设计为四块子镜可展开结构,拼接口径达260 mm。每块子镜由两个压缩弹簧驱动展开,相比扭力弹簧能够将子镜更好地保持居中。子镜tilt通过堆栈压电致动器进行调节。四台压电旋转致动器驱动弹簧臂杆系统以展开次镜,通过调节超高分子量聚乙烯绳索的长度来调整次镜的位姿。图9(a)为零重力环境下展开概念示意图,图9(b)为主镜子镜压缩弹簧驱动机构。

      图  9  (a)零重力环境下展开示意图;(b)主镜子镜压缩弹簧驱动机构

      Figure 9.  (a) Proof of concept of deployment in zero gravity; (b) Primary mirror segments deployed by compressing springs

    • 美国犹他州立大学研制的可展开瓣式望远镜(Deployable Petal Telescope, DPT)[38]采用272 mm焦距的卡塞格林光学系统。为缩小发射体积并提高望远镜成像质量,研制了适于3U立方星平台的可展开四瓣式主镜展开机构和次镜展开机构,如图10所示。主镜的折叠由拔销器这类非爆炸致动器提供锁紧力,展开由机械弹簧通过张紧的绳索传递提供驱动力。子镜的最终定位由子镜和支撑底座之间的半运动学支承控制,机械弹簧力将子镜保持在展开位置,这种被动对准系统降低了对准的成本和复杂性。与主镜机构类似,次镜的展开机构同样由机械弹簧系统提供驱动力,利用阻尼使展开速度维持在较低水平,由运动学定位支承提供高度可重复且准确的定位。可展开次镜能够减小望远镜发射体积,望远镜长度降幅接近50%,最终总长为175 mm。

      图  10  (a)折叠状态下的DPT;(b)展开状态下的DPT

      Figure 10.  (a) The stowed DPT; (b) The deployed DPT

      可展开主镜和次镜的对准重复性测量实验[39]显示能够在长焦距卡塞格林光学配置中支持可见光成像。结合200 mm孔径可展开瓣式望远镜和先进商用组件的概念性光学立方星能够达到1.5 m地元分辨率,信噪比接近70。

    • 波兰SatRevolution公司联合波兰弗罗茨瓦夫理工大学等机构提出了实时对地观测星座(Real-time Earth-observation Constellation, REC)项目[40-41],旨在建立轻小型、低成本且重访时间短的对地观测纳卫星星座,最终目标是通过在300~350 km的低地球轨道上部署一千多颗立方星ScopeSat,以同时优于1 m的分辨率实现30 min的刷新率。纳卫星折叠状态下的整体尺寸不超过7U,其中2U或3U空间设计为模块化可展开望远镜DeploScope。光学系统采用包括主次镜和三镜等的卡塞格林系统,结合全视场Korsch设计和分块式主镜形成的斐索型合成孔径配置克服了像差和视场狭窄的问题。碳化硅主镜借助伸缩杆的作用力进行展开,子镜在三个轴向的定位调整能力将导致连续的波前校正。通过使用高精度微机电系统致动器对次镜进行姿态调整。图11为折叠及展开状态的主镜。

      图  11  (a)折叠状态下的主镜;(b)展开状态下的主镜

      Figure 11.  (a) Primary mirror in stowed configuration; (b) Primary mirror in deployed configuration

    • 光轴方向可展开光学望远镜一般是基于微纳卫星平台设计,目的是沿其光轴展开次镜,以便突破卫星有限的空间对光学系统主次镜间距的限制。事实上,这类以可展开主次镜间连接结构为主的展开机构,其整体质量通常并不轻于传统非展开式刚性结构,但伸缩式展开机构的折叠尺寸明显比传统形式缩小一半以上,显示出较好的空间利用效果。

      随着商业航天的蓬勃发展和光学遥感数据的需求增长,光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜作为一种展开形式相对简单的技术验证及应用载荷,受到众多大学院所和商业航天公司等机构的高度关注。

    • 日本遥感与创新太空任务皮卫星(Pico-satellite for Remote-sensing and Innovative Space Missions, PRISM)是公开报道中唯一一个已被证实成功发射的可展开光学卫星。这颗由东京大学牵头研制的8.5 kg遥感卫星于2009年1月发射升空[42],成功进入660 km高度的太阳同步轨道,其主要任务是通过利用超小型卫星实现高分辨率遥感,对具有柔性可展开臂的紧凑型光学系统进行技术演示[43],如图12(a)所示。PRISM是一种孔径为90 mm的折射系统,光学系统采用镀有紫外防护膜的萤石复消色差镜组,焦距为500 mm,地元分辨率为30 m[44]。镜组和可展开臂的总质量仅为2 kg。望远镜从收缩状态到展开状态,可展开臂通过主动控制系统从10 cm伸展到80 cm。可展开臂由柔性材料制成,只需通过内部弹力进行展开,而不需要任何机械致动器。玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)框架起到螺旋弹簧的作用[45],当展开结构时,推出透镜及遮光罩,如图12(b)所示。遮光罩起到抑制杂光和一定程度的热防护作用。探测器阵列安装在调焦机构上,以校正由柔性可展开臂引起的对焦误差。

      图  12  (a) PRISM在轨示意图;(b)可展开臂的框架结构

      Figure 12.  (a) Overview of the PRISM in orbit; (b) Flame structure of the deployable boom

    • 可折叠多布森空间望远镜(Collapsible Dobson Space Telescope, CDST)是美国航空航天局埃姆斯研究中心提出的小型可展开空间望远镜项目[46],以确定在10 kg级6U纳卫星上使用150~200 mm孔径进行对地观测的可行性,如图13所示。CDST将完全容纳在20 cm×20 cm×10 cm的纳卫星有效载荷包络空间内,采用口径为152.4 mm的整体式主镜,R-C光学系统在完全展开后具有F/8的目标孔径。次镜由五根复合材料矩形杆(盘绕式纵梁)组成的盘绕式伸展臂支撑展开。伸展臂能够提供展开所需的大部分应变能,并在沿纵梁的枢轴点处连接到三个铝环上。超高分子量聚乙烯纤维索通过每个纵梁与铝环铰链接口处的各枢轴点馈入。通过电机驱动线轴来控制展开速度,并通过使用线性弹簧向线轴施加扭矩来将最终张力施加到纤维索上,一旦纵梁的大部分应变能释放,该线性弹簧就会在线轴机构的止动装置中释放[47]

      图  13  (a)可折叠多布森空间望远镜;(b)收缩(左图)及展开(右图)状态下的可展开主结构

      Figure 13.  (a) Collapsible Dobson space telescope; (b) Deployable tube primary structure shown collapsed (left) and deployed (right)

    • 英国萨里(Surrey)大学联合萨里卫星技术有限公司等机构正开发一种新型可自动校准的可展开空间望远镜,以满足微小卫星优于1 m地元分辨率的要求[48]。望远镜采用卡塞格林光学系统,通过伸缩式大直径同轴套筒机构将次镜精确、可重复且低冲击地展开750 mm,展开的套筒机构同时充当遮光罩起到抑制杂光的作用,如图14(a)图14(b)所示。

      图  14  (a)折叠状态;(b)展开状态;(c)部件的运动方向

      Figure 14.  (a) Stowed configuration; (b) Deployed configuration; (c) Movement directions of components

      展开机构包括三个同轴的碳纤维套筒,每个套筒的顶部和底部均有法兰,以增加刚度并提供展开机构安装接口。最下部且最窄的套筒安装在与卫星接口的隔板上。发射入轨后,中部和最上部的套筒以及两个碳纤维环,在圆周上相距120°布置的三根丝杠的传动作用以及拉齐成型工艺碳纤维管的导引作用下同时展开。该丝杠由环形齿轮和基座上的单台电机驱动,如图14(c)所示。碳纤维环为多层绝热材料提供安装表面,同时为丝杠的顶部提供支撑[49]。展开的套筒被驱动到几处V型块进行限位,以提高位置重复性。

      在套筒和次镜之间设计有三个相同的精细对准机构,基于形状记忆合金的压紧释放机构(Hold Down and Release Mechanism, HDRM)用于确保发射过程中次镜和遮光罩等零件的安全。展开重复性测试显示出展开机构各轴向优于1 mm的较高展开可重复性,并且满足刚度要求,从而能够避免平台微振动引起的图像失真[50]

    • 奥克兰(Auckland)大学研发了一种适用于卡塞格林系统空间望远镜(Deployable Optics for CubeSats, DOC)的可展开镜筒[51],如图15(a)所示。镜筒一端安装90 mm口径主镜,另一端支撑次镜。镜筒的三个同轴空心圆筒通过伸缩方式折叠和展开。要求以任一轴向优于0.1 mm的可重复能力将次镜沿着光轴方向展开到距离主镜250 mm的位置。为了保持所需的形状稳定性,主要结构部件由热稳定材料制成,并具有对准和锁定功能。作为展开机构的驱动元件,无需电能输入的弹簧马达驱动穿过镜筒的绳索,且无需机械齿轮,从而避免了空回和微动力学问题。绳索由凯夫拉尔纤维制成,具有高强度、恶劣条件下一般的耐久性和较低的真空出气等优点。图15(b)所示为安装在主镜后面的弹簧马达。在微重力环境下,展开望远镜所需的扭矩极小,仅需克服绳索中的摩擦力和镜筒之间的滑移作用。采用3D打印技术制造了一台1∶1的尼龙材质原理样机,确认了展开机构的整体可行性[52]

      图  15  (a)展开状态下的镜筒;(b)安装在主镜后面的弹簧马达

      Figure 15.  (a) Deployable barrel in deployed configuration; (b) Spring motor mounted below primary mirror

    • 韩国航空大学提出一种促进卫星小型化的可展开空间望远镜高精度展开机构[53-54]。被动展开机构主要由分别安装主次镜的上下面板、用于连接两个面板的八根定制连杆、用于驱动机构的四个弹簧铰链和用于防止连杆扭曲的八个支撑模块组成[55]图16所示为展开机构的工作原理。在折叠状态下,弹簧铰链的恢复力被分离装置抑制。当分离装置释放展开时,连杆通过四个弹簧铰链的恢复力展开。

      图  16  展开机构工作原理

      Figure 16.  Working principle of the deployment mechanism

      锥形连杆、球形柱塞和闩锁装置能够提高对准精度,减少偏心、倾斜和间隙对准误差。通过理论分析和原理样机制造,设计并制造重力补偿的测量平台,测量了可能在轨道上发生的对准误差。使用由五个基于非接触激光位移传感器的测量平台,对展开机构的对准性能进行了实验研究。

      综上,目前国外已发射或在研的可展开空间光学望远镜部分典型项目的基本信息如表1所示。

      表 1  国外可展开空间光学望远镜部分典型项目

      Table 1.  Some typical projects of foreign deployable space optical telescopes

      ProjectApplicationCountryLaunch timeWorking spectrumAperture/mSpatial resolutionMass/kgAdjustment ability
      JWSTAstrophysicsUSA20210.6-28.5 μm6.50.1"6200Six DOFs + radius of curvature
      LUVOIR-AAstrophysicsUSA20390.1-2.5 μm15≤16 milli-arcseconds at 500 nm27801Six DOFs positioning
      LUVOIR-BAstrophysicsUSA20390.1-2.5 μm8≤16 milli-arcseconds at 500 nm15132Six DOFs positioning
      SMTEOUSA0.4-0.7 μm3Six DOFs + face sheet actuation
      HOASISEOESA0.45-0.79 μm,
      MWIR, LWIR
      72 m@36000 km8662Five DOFs
      AODSEO and ScienceFrance~17Piston/tip/tilt
      TU Delft DSTEONetherlands0.45-0.7 μm1.50.25 m@500 km<100Piston/tip/tilt
      HighResEOUnited KingdomVisible0.30.92 m@500 km8Piston/tip/tilt
      DISCITEOUSA0.39-0.7 μm0.70.5 m@500 km~17Piston/tip/tilt
      OCULUSEOGermany0.261.2 m@400 kmTilt
      DPTEOUSAVisible0.21.3 m@500 kmTilt
      ScopeSatEOPoland2023Visible<1 m@300-350 km10Piston/tip/tilt
      PRISMEOJapan2009Visible0.0930 m@660 km8.5
      CDSTEOUSAVisible0.1521.2 m@250 km10Piston/tip/tilt of the secondary mirror
      Surrey DSTEOUSAVisible0.31 m@500 km<100Piston/tip/tilt of the secondary mirror
      Auckland DOCEONew ZealandVisible0.09
    • 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所董吉洪等人[56]提出了主镜展开机构设计思路和设计要点,并给出了4 m口径主镜可展开空间望远镜的设计方案。左玉弟等人[57]针对某光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型空间望远镜自展开机构,开展了原理样机展开实验。杨会生等人[58-61]提出了8 m口径可展开合成孔径光学系统方案,主镜由10块直径1.9 m的碳化硅圆形反射镜子镜拼接而成,每块子镜通过六自由度刚体运动致动器进行调节和共相。并对空间甚大口径分体自重组式主镜系统的关键技术进行了研究,建立了定值共相误差影响的分析理论,对主镜共相精度公差进行了合理分配及优化[62]。张龙[63]开展了缩比验证系统的共相调整试验验证,搭建了拼接式主镜卡塞格林系统波前探测实验平台,验证了基于斐索干涉仪共相探测技术的可行性。

      北京空间飞行器总体设计部Ni Yanshuo等人[64]设计了一种用于次镜展开的四连杆机构,以满足天基光学遥感系统的高精度在轨展开要求。采用有限元方法对锁紧状态下的整体热变形进行了模拟,分析了四连杆机构在轨道上的重复展开精度。此外,Zhang Shuyang等人[65]基于带有主动锁紧装置的开尔文支承设计了一种高精度展开机构,以满足新型有效载荷在轨展开重复定位精度达到0.005°的要求。并进行了理论分析、仿真分析和原理样机测试。

      中国科学院西安光学精密机械研究所李创等人针对可展开空间望远镜技术进行了多项研究。提出了一些不同形式的展开机构、精度调节系统、展开精度测量系统等,主要包括三点六足式带弹簧次镜展开机构[66-67]、盘绕式碳纤维杆次镜自展开结构[68]、基于形状记忆合金的锁紧释放机构[69-70]、基于Stewart平台的次镜六自由度调节机构[71]和基于位置敏感探测器的次镜展开机构对准检测系统[72]等,并开展了原理样机成像试验。

      苏州大学王振坤等人[73-74]研究了一种无主动光学系统,可快速精准展开,适用于3U立方星的高分辨率空间相机光学系统,给出了十字形四矩形稀疏孔径光瞳函数和MTF的解析表达式,提出了平均MTF曲线等适用于非圆对称光瞳结构的MTF评价指标,进行了孔径结构形状参数优化和力学仿真分析。

      综合来看,国内对于空间光学望远镜的主镜展开进行了一些概念研究、初步设计和样机实验。在分块式可展开对地观测望远镜的主镜展开机构,以及光轴方向可展开微纳卫星光学望远镜涉及到的次镜展开机构和可展开遮光罩等方面进行了设计研究和实验探索,取得了一定的科研成果。但是不难看出,与国外相比,国内在这一领域的起步较晚,发展水平还有差距,实现工程化的成果尚未见报道。

    • 可展开空间望远镜与传统非展开式望远镜相比,具有更柔性的结构和相对更低的固有频率,这就对主镜提出了高轻量化和高刚度的要求。常用的主镜材料包括微晶玻璃、超低膨胀玻璃ULE、碳化硅,以及具有较高比刚度和优异热稳定性能的碳纤维复合材料等。另一方面,分块式可展开空间望远镜需要进行拼接面形的监测和调整,对可见光波段而言,一般要求达到几十分之一波长的纳米量级,这就对主镜子镜的刚体运动多自由度调节、镜面曲率半径甚至面形调整能力提出了严格的要求。比如,JWST铍材料主镜子镜(包括子镜支撑结构)的面密度仅为25 kg/m2[75],大约只是哈勃望远镜的七分之一,子镜背部的低温微位移致动器能够在21 mm的有效行程内实现7 nm步进精度的稳定输出[76],确保子镜的六自由度位姿和曲率半径的精细调节。美国SMT碳化硅材料主镜子镜的面密度为10~15 kg/m2,采用的能动混合镜技术提供子镜镜面包括局部和全局影响的高致动能力[77]。SMT子镜背部的位姿致动器也提供了六自由度的调节能力。

      基于直接成像法的探测遥远暗弱类地行星(与宿主恒星的对比度可达10−10量级)的大口径可展开空间天文望远镜需要高稳定光学系统和高通量日(星)冕仪进行联合工作,一般要求10 min内优于10 pm的波前误差动态稳定性[78],这对分块子镜提出了皮米级分辨率致动的严苛要求。

      将主动镜面技术应用于可展开空间望远镜,能够放宽制造公差,显著减少测试时间和成本,缩短研制周期。此外,主动镜面技术还可以补偿重力和轨道热畸变的影响。

    • 自适应光学一般是指一种光学控制系统,其中入射光的相位畸变由波前传感器测量,并由变形镜校正,变形镜具有通过镜面变形改变反射光相位的能力[79]

      可展开空间光学望远镜在轨展开后,因受空间温度场、微重力场等空间环境的影响和展开机构本身的特点,望远镜系统不可避免地会存在一定的波前误差,直接影响成像质量,需要予以调整修正。尤其对于分块式拼接主镜而言,子镜的光学共相位对实现高分辨率成像至关重要,是一项严峻的技术挑战。目前常用的解决方法是基于波前传感与控制技术对波前误差进行实时监测,利用子镜背部的致动器进行位姿和面形的调整,从而实现子镜精确和稳定的定位。此外,一般还需要在光路中加入变形镜,以校正残余误差。

      在传统的自适应光学中,由于变形镜的响应速度远远快于波前传感器的采样率,变形镜的动力学特性可以忽略。但对于分块式拼接大口径主镜而言,其自适应光学系统与传统自适应光学系统最大的不同是,因子镜尺寸大且材料轻质,构成可变形反射镜的分块反射镜相当柔性。变形镜的动力学特性不能被忽略,必须在控制系统设计中予以考虑[80]

      大口径空间天文望远镜常选在空间环境较为稳定的日地L2点轨道工作,JWST通过大型遮阳板将太阳直射光挡在反射镜和卫星结构之外以解决热控制问题,这由于卫星相对于太阳始终处于相同的位置而相对容易实现。相比而言,分块式可展开对地观测望远镜需要频繁侧摆机动以观测不同的地面目标[81],轨道热环境和大气扰动也更为复杂,将有更多的输入噪声进入光学系统,这些噪声源包括姿态控制系统和反射镜表面温度梯度的变化等。此外,对地观测时,实现连续的控制或大型遮阳板以遮蔽反射镜要困难得多。一方面,地球表面反射的能量是以反照率的形式存在的;另一方面,地球本身作为红外辐射源能够被望远镜吸收,在对地观测时无法被屏蔽[82]。因此,分块式可展开对地观测望远镜更需要波前传感与控制和自适应光学技术。

    • 在可展开空间望远镜结构中,微动力学响应作为一类低量级非线性动态响应普遍存在。微动力学主要由结构中机械接头的不稳定性引起,该不稳定性是由机械部件之间的摩擦或摩擦引起的滑移导致的[83]。因此,降低或消除微动力学需要降低或消除摩擦引起的接头滑移。包括迟滞效应在内的非线性响应降低了展开机构的固有频率和振动输入下的不稳定性。

      可展开空间望远镜的展开机构必须具有可靠的机械设计、有效的展开及较高的精度和稳定性。与其他如天线和太阳能帆板等空间展开机构相比,空间光学望远镜的精密展开机构具有高精度、高刚度和高稳定性的特点,展开精度相对而言一般要高得多。

    • 微振动的来源主要是动量轮、制冷剂或燃料的湍流、推进剂燃烧、复合材料微开裂和其他运动机构等的微小扰动[84]

      可展开空间光学望远镜在轨工作时是一个柔性系统,其第一阶固有频率较低,动力学行为较为复杂。展开机构一般也由杆、索和膜等结构组成,存在大量的柔性或半刚性元件。微振动对光学望远镜的影响主要包括光轴不稳定导致像质劣化和光学组件偏离设计位置导致光学系统调制传递函数下降。开展微振动指标论证、振源特性分析、微振动集成仿真分析与评估、抑制技术、地面模拟试验和在轨试验等方面的研究,对可展开空间光学望远镜的研制具有重要意义。

    • 对于可展开空间光学望远镜尤其是大口径拼接主镜望远镜来说,热变形是一个极为突出的问题。可展开光学系统入轨后,由于空间环境的高真空、冷黑背景[85]、外部热通量以及系统热耗散的影响,光机系统会出现温度梯度及由此引起的不可避免的热弹性变形,将会降低光机系统的固有尺寸稳定性。此外,因暴露于太阳辐射通量的激增而引起的热颤振效应也会影响光学系统的指向稳定性或引起光学系统本身的不稳定,从而引起波前抖动。

      空间望远镜的热设计[86]主要是采用各种方式确保望远镜在轨热环境下能够正常工作。除了光学件与结构件热匹配、热补偿和热隔离,以及主被动相结合精细化热控制技术等传统热设计之外,可展开光学望远镜往往还涉及到大型可展开式遮阳板或可展开遮光罩的应用。因此,需要关注遮光结构的构型设计、材料和涂层的选取、薄膜材料的失效分析和高度非线性的展开过程等,并开展相关的仿真分析和测试试验。

    • (1)从分块式可展开对地观测望远镜到大口径空间天文望远镜,拼接主镜子镜的调节需求普遍由三自由度位姿提升到六自由度位姿,且可能要求曲率半径甚至面形控制的致动能力。另一方面,可展开空间望远镜的分块式主镜、次镜展开机构和可展开遮光罩等展开机构的形式越来越多样化,同时也大量应用碳纤维、柔性索、薄膜材料和智能材料等新材料。可展开空间望远镜将向展开形式更新颖,展开机构轻量化、高精度和智能化的方向发展。

      (2)可展开空间望远镜的口径从十几厘米到十几米,质量从几公斤到几吨,覆盖从微纳卫星光学载荷到超大口径光学系统的各种规格。展开后的望远镜尺度接近甚至超过卫星平台的尺度,尤其是JWST以及后续规划的口径10 m级空间天文望远镜项目,望远镜展开后的尺度远大于集成度越来越高的卫星平台,已成为卫星结构空间尺度上的绝对主体。传统的“以平台为中心”的设计方法将难以满足未来的发展需求。可展开空间望远镜技术的发展将大力推动“以载荷为中心”设计思想下望远镜与卫星平台的一体化设计。

      (3)分块可展开光学望远镜技术的不断成熟和工程应用,使得空间大口径甚至超大口径光学成像成为可能。正是由于可展开大口径光机系统带来的分辨率和探测能力的优势,国际天文观测领域规划的多台空间望远镜都采用了分块式拼接主镜和可展开次镜的设计构型。此外,将可展开空间望远镜部署在地球静止轨道,借助轨道较高的优势可实现对目标的持续观测甚至视频监测,能够显著提高时间分辨率。可以预见,空间分块可展开光学望远镜技术将极大地推动大口径光学系统的空间应用。可展开空间望远镜将在对地观测和空间环境探测等领域获得广泛的应用。

      (4)可展开空间望远镜与在轨组装望远镜及远期的在轨制造望远镜等空间光学研究热点领域之间存在广泛的共性技术,比如超轻型主动镜面、波前传感与控制、镜面共相和高力热稳定性等方面。可展开空间望远镜技术与在轨重构、在轨组装、在轨制造等技术融合发展、互相促进,不断推动空间光学载荷向规模更庞大、结构更灵活、功能更复杂、性能更先进的方向发展,将促进空间光学技术的跨越式进步,掀起空间科学研究的新一轮热潮。

    • 随着空间技术的快速发展以及应用需求的强力牵引,可展开空间光学望远镜技术已成为空间领域研究热点之一,正成为光学、机械、材料、电子学、控制等多学科深度协同发展的综合技术,将在太空探索和对地观测等方面发挥重要作用。文中综述了国内外可展开空间光学望远镜的研究进展,归纳了一些关键技术和发展趋势。从提高分辨率、缩小发射体积、降低发射成本,以及技术成熟度等方面来看,可展开空间光学望远镜将是未来十几年内极具可行性和有效性的技术途径,也是未来一段时期发展超大规模空间光学设施的必经之路。

参考文献 (86)

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