銳利之眼

肖昊江

莫斯科時間2008年7月26日22時31分(北京時間27日2時31分)普列謝茨克發(fā)射場，“聯(lián)盟”2-Ib火箭將一顆編號“宇宙”2441的光電偵察衛(wèi)星送入太陽同步軌道，這是俄羅斯近年來發(fā)射的第一顆新一代光電偵察衛(wèi)星。由于涉及到俄羅斯偵察衛(wèi)星的最高機密，因此有關這顆衛(wèi)星的資料無論俄方還是西方均無詳細報道，本文僅從有限的信息當中推測一下這顆衛(wèi)星的技術特點。

首先，媒體報道中最引人矚目的一點是：“宇宙”2441衛(wèi)星使用了類似“阿肯”1的光學系統(tǒng)。為了分析該衛(wèi)星的光學系統(tǒng)，就要先介紹一下“阿肯”1衛(wèi)星的背景。需要說明的是，“阿肯”(ARKON)實際上不是俄文的原音，而是俄文簡寫，是拉沃奇金設計局1990年提出的民用遙感衛(wèi)星的代號。而“阿肯”1實際上是前蘇聯(lián)上世紀80年代研制的第八代偵察衛(wèi)星計劃：ARAKS計劃(代號為11f664，設計局代號“特工”)的民用版。應當說先有軍用的“特工”，后有民用的“阿肯”1。

對于“特工”或“阿肯”衛(wèi)星的光學系統(tǒng)，目前沒有俄方公開的權(quán)威資料。不過根據(jù)國內(nèi)編纂的“衛(wèi)星偵查參考資料”以及相關報告，還有拉沃奇金聯(lián)合體的有限資料可以大致看出，

“特工”／“阿肯”衛(wèi)星的光學系統(tǒng)構(gòu)成屬于折反式卡塞格倫光學系統(tǒng)，這與之前俄羅斯的“琥珀類”光學偵查衛(wèi)星采用小孔徑折射系統(tǒng)明顯不同。一般來說，折射式系統(tǒng)易于安裝調(diào)試和檢測且成像質(zhì)量高，但是隨著孔徑的加大，需要采用復雜的系統(tǒng)來消除相差。另外，折射系統(tǒng)的重量通常較大。例如“琥珀類”衛(wèi)星的小孔徑折射鏡頭就重達700～1000公斤(焦距5～6米)。相比而言，反射式系統(tǒng)沒有相差、鏡頭可向大尺寸發(fā)展、采用碳化硅或鈹反射鏡可以大幅度減輕重量，因此焦距15米以上的光學系統(tǒng)均采用反射式系統(tǒng)。由此判斷，像“特工”／“阿肯”這類的大孔徑長焦距系統(tǒng)采用反射式或折反式光學系統(tǒng)是合理的選擇。

根據(jù)“阿肯”I衛(wèi)星在2120公里的高度全色分辨率為2米(軍用“特工”衛(wèi)星的分辨率更高，估計同樣高度下可達1米)和其光學系統(tǒng)是一種折反式卡塞格倫系統(tǒng)這些重要線索表明：光學部分有一塊表面呈拋物面曲率的主鏡，在主鏡前面有一塊表面呈雙曲面曲率的副鏡。副鏡接收從主鏡反射回來的光，再將其經(jīng)由主鏡的中心孔反射到位于主鏡后面不遠處的焦面上。此外，要想保證光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊以便能安裝在估計長度11米的衛(wèi)星內(nèi)，折反式卡塞格倫望遠鏡的有效焦距必須短于標稱的27米。這就需要在系統(tǒng)設計中加一個焦距延長器(由一組透鏡構(gòu)成，在主鏡之后)，以提供附加的焦距。根據(jù)愛里斑直徑計算公式并考慮到副鏡的中心遮蔽所造成的衍射影響，要在2120公里高度實現(xiàn)全色2米分辨率需要1.8米的光學孔徑，考慮到加工誤差，孔徑則要達到2米以上?？梢钥闯鲞@是一個非常大的光學系統(tǒng)。再加上為獲得高分辨率所必須的溫控系統(tǒng)和軌道機動所需燃料的重量，就無怪乎第一顆“阿肯”衛(wèi)星使用質(zhì)子火箭發(fā)射。不過根據(jù)兩顆已經(jīng)發(fā)射的“宇宙”2344／2392來看，這種衛(wèi)星的性能還不穩(wěn)定，均未達壽命期就報廢了。

從以上對“阿肯”衛(wèi)星的介紹可以看出，新一代“宇宙”2441如果采用類似光學系統(tǒng)的話，在770公里太陽同步軌道上的分辨率可達0.2～0.3米。事實上，從目前獲得的關于“宇宙”2441衛(wèi)星分辨率描述的報道上看，其分辨率大概在1英尺左右(約0.3米)。這也印證了其采用類似“阿肯”衛(wèi)星光學系統(tǒng)的報道，當然在影響分辨率的諸多因素中，CCD像元尺寸也是一個重要因素。大孔徑長焦距光學系統(tǒng)一般采用輕量化的碳化硅或鈹反射鏡，“特工”和“宇宙”2441也不例外。事實上俄羅斯早已在碳化硅和鈹鏡方面進行了大量研究，對于鏡胚材料、鍍膜、表面處理等方面均有成熟的工藝，已經(jīng)具備加工直徑1.2米反射鏡的能力。有一點值得注意的是，像美、俄這種大孔徑偵查衛(wèi)星的主反射鏡一般采用分瓣制造再組合的方式，因為一次成型直徑2米以上的超高精度單鏡片是非常復雜的。另外，光學自適應技術的使用也要求主鏡面分成多個可控的較小鏡片。這樣看來，“宇宙”2441的鏡頭直徑如果大于1.5米，則采用分瓣制造將是趨勢。

對于“宇宙”2441的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有一點尚未弄清，那就是其采用的是共軸還是離軸全反射系統(tǒng)，以及相對于“特工”／“阿肯”的光學系統(tǒng)，其改進之處如何?共軸全反射系統(tǒng)的光路中間有遮攔，會影響分辨率，采用離軸全反射系統(tǒng)則沒有這個問題，但是加工檢測復雜。目前尚不知道“宇宙”2441衛(wèi)星是否采用離軸結(jié)構(gòu)。根據(jù)新聞報道，這顆衛(wèi)星使用的是“資源”DKI衛(wèi)星平臺。從“資源”DKI的平臺結(jié)構(gòu)以及目前的推測圖來看，應當是共軸／擬共軸系統(tǒng)。前面曾經(jīng)提到“宇宙”2441的光學系統(tǒng)類似“特工”／“阿肯”的光學系統(tǒng)，但是有不同(或是說有改進)。根據(jù)Wikipedia的信息顯示，“宇宙”2441的光學系統(tǒng)可能是一款長焦距的三反式／二級光學系統(tǒng)，而“特工”／“阿肯”衛(wèi)星采用折反式光學系統(tǒng)?！疤毓ぁ保鞍⒖稀毙l(wèi)星的折反式光學系統(tǒng)在主鏡之后是一組透鏡構(gòu)成的焦距延長器，而“宇宙”2441衛(wèi)星的光學系統(tǒng)在主鏡之后是場鏡和二級校正鏡?！坝钪妗?441衛(wèi)星采用三反式長焦距系統(tǒng)，并采用了類似“哈勃”望遠鏡的二級光學系統(tǒng)。

二級光學的基本思想是將系統(tǒng)分兩級成像，第一級保證得到大的相對孔徑，其像質(zhì)一般；第二級主要是校正第一級的成像質(zhì)量，可使用主動和被動校正元件。兩級之間是采用大的場鏡把主鏡的像成到校正元件上。二級光學的優(yōu)點是：可保證主鏡尺寸較大，但其面形要求不高，使其加工裝調(diào)難度降低，成本下降；像質(zhì)校正采用第二級較小尺寸的元件來做，減小了校正難度；校正器的自適應模型和程序在地面事先做好，在空間只須保證兩級間幾何位置；利用附加反射鏡可擴大視場；用反射校正器可很方便的在紅外譜段進行調(diào)制；具有中間像可遮光罩和消雜光光欄簡化。以上分析是對“宇宙”2441采用的改進型光學系統(tǒng)的推測，當然這有待于進一步消息的核實。

其次，新聞報道中還提到此次發(fā)射由新型的“聯(lián)盟”2-1b火箭完成?！奥?lián)盟”2-1b火箭在普列謝茨克發(fā)射時的運載能力為7.48噸，這意味著“宇宙”2441的重量在5噸左右，與以前的“宇宙”2344相差明顯，也與“宇宙”2392相比輕了一些。重量減輕的原因可能是由于技術進步導致的，當然也可能是其功能較“特工”衛(wèi)星明顯的簡化。另外，比較特殊的是這顆衛(wèi)星是被發(fā)射到太陽同步軌道上的，而以前蘇俄的光學偵查衛(wèi)星一般采用軌道較低的極地軌道。

最后分析一下“宇宙”2441所采用的CCD像元尺寸。CCD技術是光電成像衛(wèi)星的核心技術之一，但是由于前蘇聯(lián)

在光電子領域落后于西方，因此在80年代后期才發(fā)射了數(shù)字成像衛(wèi)星。前蘇聯(lián)研制數(shù)字成像衛(wèi)星的關鍵也是CCD器件的研制，大約花了10年時間攻克這個難關。根據(jù)相關報告介紹，蘇聯(lián)解體后不久，俄羅斯就已經(jīng)完成或正在研制20微米×20微米、16微米×18微米和10微米×12微米等一系列像元尺寸的CCD陣列。最近幾年俄羅斯的CCD技術也有了不小的進步，目前從事CCD技術研究的單位有許多家，其中比較有名的是：奧里昂聯(lián)合體電子中央科技研究所、電子-光導研究所、旋風中央科技研究所、西伯利亞半導體物理研究所、國家光學研究所、國家應用光學研究所、極地研究所等國有科研單位。也有蘇聯(lián)解體以后涌現(xiàn)出來的企業(yè)，例如焦平面工藝技術公司等等。其中，“資源”DK1衛(wèi)星所使用的CCD陣列是電子-光導研究所(現(xiàn)成立了ELAR公司)研制的ELCT1080v1U。

根據(jù)“宇宙”2441衛(wèi)星所要求的分辨率來看，其采用的CCD像元尺寸在6～9微米左右，當然這是指可見光波長范圍內(nèi)。這要說明一下CCD像元尺寸對于衛(wèi)星分辨率的影響，除了大氣擾動以外，光學系統(tǒng)和感光器件的尺寸對分辨率均有重要影響，而且是相互作用的。光學系統(tǒng)的分辨率一般是根據(jù)瑞利規(guī)則：分辨率=最小分辨角×軌道高度，最小分辨角≈0.61×波長／有效孔徑。根據(jù)這個公式，“阿肯”在2120公里高度時的光學系統(tǒng)極限分辨率是0.36米，而實際上軍用的“特工”衛(wèi)星也達不到這樣高的分辨率。因此，問題不是出在光學系統(tǒng)上，而是另有原因。從焦距、像元尺寸和軌道高度看，地面分辨率存在一個簡單關系：地面分辨率=像元尺寸×軌道高度／焦距，根據(jù)這個公式，按照“特工”衛(wèi)星CCD像元尺寸13微米計算，其在2120公里高度的分辨率為1.02米，這跟對“特工”衛(wèi)星的分辨率推測是一致的。如果將“特工”衛(wèi)星的高度降低到770公里，則其分辨率為0.36米，這與對“宇宙”2441分辨率的推測基本一致。如果反推回去，根據(jù)0.3米的分辨率和750公里的軌道高度并以像元尺寸為9微米為基準，則“宇宙”2441衛(wèi)星的焦距至少是20米。當然，由于技術進步使得“宇宙”2441衛(wèi)星的長度和光學系統(tǒng)總長度比“阿肯”，“特工”衛(wèi)星有所減小并簡化了一些復雜功能，因此其重量也就進一步減小到5噸左右。由于俄羅斯在光電器件上與西方存在差距，“宇宙”2441的CCD陣列可能像“阿肯”衛(wèi)星一樣是不同波段的CCD陣列拼接而成的，覆蓋8個或更多波段。

綜上推測，“宇宙”2441作為俄羅斯新一代數(shù)字成像偵察衛(wèi)星，在體積、重量、壽命、光學系統(tǒng)和CCD器件上展現(xiàn)了一些新的特征，是其近幾年技術進步的集中體現(xiàn)。而且從分辨率來看，“宇宙”2441更是接近了美國的最高級別技術水準。

(編輯一翔)