3.5 m 口徑空間望遠(yuǎn)鏡單塊式主鏡技術(shù)展望

李宗軒，金 光，張 雷，孔 林

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所小衛(wèi)星技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

空間望遠(yuǎn)鏡由于不受地面大氣擾動(dòng)、吸收與散射的影響而具有極其優(yōu)越的空間觀測(cè)能力。高分辨率、多光譜空間望遠(yuǎn)鏡能使天文學(xué)家以前所未有的洞察力，探索如下科學(xué)問(wèn)題的答案［1］:宇宙如何誕生又如何發(fā)展;哪些物質(zhì)與基本規(guī)律影響著星系形成;是否存在適宜人類居住的類地行星;地外生命是否存在而又如何起源。

越來(lái)越高的空間分辨率要求空間望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的口徑越來(lái)越大。在運(yùn)載器運(yùn)載能力與載荷艙整流罩內(nèi)包絡(luò)空間允許的前提下，實(shí)現(xiàn)最大的主反射鏡口徑尺寸是目前實(shí)現(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡高分辨率與高信息收集能力的必然技術(shù)路線［2-4］。1990年，由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)規(guī)劃并發(fā)射入軌的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)采用口徑為2.4 m的單塊式主反射鏡，并經(jīng)過(guò)在軌校正維護(hù)后獲得清晰的圖像與諸多科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)作為NASA的第二代空間望遠(yuǎn)鏡，其口徑為6.5 m，采用的可展開分塊拼接式主反射鏡技術(shù)先進(jìn)而復(fù)雜，整個(gè)項(xiàng)目成本高昂并不斷增加預(yù)算，進(jìn)度緩慢，發(fā)射日期也推至2018年［5］。NASA在下一代空間望遠(yuǎn)鏡的論證與研制階段，基于技術(shù)成熟度與成本的考慮，又重新提出了基于單塊式主反射鏡的8 m口徑空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)解決方案［6-7］，這既得益于具有10 m內(nèi)包絡(luò)直徑載荷艙的戰(zhàn)神5號(hào)(Ares V)運(yùn)載火箭的問(wèn)世，同時(shí)也體現(xiàn)了NASA在工程項(xiàng)目中采用的實(shí)用主義。

本文通過(guò)介紹幾種大口徑空間望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用與研究進(jìn)展，詳細(xì)論述并分析超大口徑單塊式主反射鏡的關(guān)鍵技術(shù)，并提出基于3.5 m口徑主鏡技術(shù)的空間望遠(yuǎn)鏡設(shè)想。

2 超大口徑空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展趨勢(shì)

目前世界上已經(jīng)發(fā)射入軌和計(jì)劃發(fā)射的超大口徑空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)探測(cè)譜段主要集中在紅外與可見(jiàn)光波段。對(duì)宇宙中在兩個(gè)主要譜段所呈現(xiàn)信息日益迫切的觀測(cè)需求，驅(qū)使著空間望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷朝著越來(lái)越大的方向發(fā)展。

在針對(duì)紅外譜段的空間望遠(yuǎn)鏡中，由歐洲空間局(ESA)建造并發(fā)射入軌的赫歇爾空間天文臺(tái)(Herschel Space Observatory)是其中的翹楚。2009年發(fā)射入軌后，它便具有人類已發(fā)射入軌的空間望遠(yuǎn)鏡中最大的單塊式主反射鏡—3.5 m口徑。宇宙學(xué)與天體物理空間紅外望遠(yuǎn)鏡(SPICA)作為紅外空間望遠(yuǎn)鏡的另一極，是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)、NASA以及ESA的合作項(xiàng)目［8］。同樣具有口徑為3.5 m 的主反射鏡［9］，成為新一代的中遠(yuǎn)紅外波段空間望遠(yuǎn)鏡。SPICA將和以近、中紅外波段(NIR/MIR)為主要觀測(cè)譜段的JWST在紅外太空觀測(cè)中形成互補(bǔ)。

在針對(duì)可見(jiàn)光譜段的空間望遠(yuǎn)鏡中，1990年發(fā)射入軌的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)開創(chuàng)性地改變了世界空間觀測(cè)的格局，能同時(shí)觀測(cè)紫外(UV)、可見(jiàn)光與近紅外(NIR)波段的宇宙信息。它具有口徑為2.4 m的單塊式輕量化主反射鏡。此后NASA在發(fā)射可見(jiàn)光波段大口徑空間望遠(yuǎn)鏡方面的努力從未停止。2009年發(fā)射入軌的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡(Kepler)被NASA設(shè)計(jì)用來(lái)發(fā)現(xiàn)其他環(huán)繞恒星運(yùn)動(dòng)的類地行星，通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)系外行星從其環(huán)繞的恒星前掠過(guò)的凌日現(xiàn)象，來(lái)推測(cè)該行星軌道的大小并估計(jì)它的溫度［10］。它具有口徑為1.4 m的單塊式輕量化主反射鏡［11］。計(jì)劃中的超新星加速度探針(SNAP)是NASA與美國(guó)能源部合作的項(xiàng)目［12］，作為聯(lián)合暗能量任務(wù)(JDEM)的一部分，計(jì)劃于2020年之前發(fā)射，其單塊式輕量化主反射鏡口徑為2 m［13］。該空間望遠(yuǎn)鏡將被用于測(cè)量宇宙膨脹并確定加速宇宙膨脹的暗能量的性質(zhì)。新世界觀測(cè)者空間望遠(yuǎn)鏡(NWO)是Kepler望遠(yuǎn)鏡的下一代繼任者，同樣將用于發(fā)現(xiàn)適宜人類居住的類地行星，其單塊式輕量化主反射鏡口徑為4 m。而由于JWST的可觀測(cè)波段僅為MIP/NIR［14］，NASA為了在HST退役后保持空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力覆蓋可見(jiàn)光與紫外波段，提出了先進(jìn)技術(shù)大口徑空間望遠(yuǎn)鏡(ATLAST)項(xiàng)目，計(jì)劃將一個(gè)具有8 m口徑單塊式主反射鏡的空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射至放置于太陽(yáng)—地球的第二拉格朗日點(diǎn)位置，用于尋找類地行星并探索地外生命。

中國(guó)首臺(tái)自行研制的大口徑空間望遠(yuǎn)鏡即將安裝于2020年前后發(fā)射的首個(gè)載人空間站上。該空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃安裝于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，其單塊式主反射鏡的口徑為2 m，它的特點(diǎn)在于擁有較大的視場(chǎng)，兼具紅外與可見(jiàn)光觀測(cè)譜段。

3 超大口徑單塊式天基主鏡技術(shù)進(jìn)展

3.1 HST 2.4 m 口徑主反射鏡

HST于1990年由發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)送入軌道。由于光學(xué)加工承包商珀金·埃爾默公司(Perkin-Elmer)在主鏡加工過(guò)程中檢測(cè)所用反射式補(bǔ)償器的誤差，導(dǎo)致HST入軌成像后產(chǎn)生了嚴(yán)重的球差。這一錯(cuò)誤經(jīng)過(guò)在軌人工維護(hù)并安裝球差校正鏡(COSTAR)后，才得以更正［15-16］。在此之后HST顯示了巨大的成功，得到的圖像幫助天文學(xué)家解決了諸多的問(wèn)題。HST的2.4 m口徑單塊式輕量化主反射鏡由Corning公司的7941 ULE零膨脹玻璃熔合焊接而成，圖1(a)為未鍍膜前的蛋箱式輕量化結(jié)構(gòu)，圖1(b)為鍍膜后主鏡外觀。主鏡鏡面面形精度RMS值被加工至6.4 nm。如此高的面形精度是依靠加工過(guò)程中的卸荷支撐技術(shù)以及相機(jī)總裝時(shí)的柔性飛行支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。圖2為安裝于52點(diǎn)卸荷支撐上的HST主鏡1.5 m口徑縮比試驗(yàn)件。該試驗(yàn)件在此支撐上進(jìn)行加工與檢測(cè)，最終被拋光至λ/61 RMS的面形精度，初步驗(yàn)證了卸荷支撐設(shè)計(jì)的正確性。最終HST的2.4 m口徑主鏡是安裝于134點(diǎn)的卸荷支撐上加工并檢測(cè)的。在加工完成后，即由圖2所示的卸荷支撐改為圖3所示的飛行支撐，它由三處軸向支撐與三處切向支撐構(gòu)成。圖4為軸向支撐的結(jié)構(gòu)圖，可見(jiàn)主鏡的軸向支撐采用了球鉸與柔性鉸鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力安裝。在鍍膜、運(yùn)輸、裝調(diào)與發(fā)射期間主鏡的機(jī)械接口即為三處軸向支撐［17］。

圖1 HST的單塊式主反射鏡Fig.1 Monolithic primary mirror of HST

圖2 安裝于52點(diǎn)計(jì)量卸荷支撐并進(jìn)行立式加工與檢測(cè)的HST主鏡1.5 m口徑縮比試驗(yàn)件Fig.2 1.5 m diameter aspheric mirror fabricated and tested as a subscale experimental model of the PM for the HST

圖3 HST主鏡背部的軸向與切向支承結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of the HST primary mirror showing the axial and radial supports

圖4 HST主反射鏡軸向支撐結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of one axial support for the HST PM

在主反射鏡的背后還布置了24處促動(dòng)器提供光學(xué)面形的在軌控制，但HST的主鏡面形控制并不是在軌實(shí)時(shí)作用的，僅是為了在入軌后調(diào)整主鏡由于重力釋放所產(chǎn)生的像散式變形，事實(shí)上這一調(diào)整機(jī)構(gòu)并未使用。

HST的23年服役歷程充分說(shuō)明了主反射鏡對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像的關(guān)鍵作用。其單塊式主反射鏡的輕量化設(shè)計(jì)、卸荷支撐加工技術(shù)與軸向支撐設(shè)計(jì)直到今天仍然值得借鑒。

3.2 SOFIA 2.7 m 口徑主反射鏡

同溫層紅外線天文臺(tái)(SOFIA)是由NASA、德國(guó)航空太空中心(DLR)和大學(xué)太空研究協(xié)會(huì)(URSA)共同合作的紅外線天文學(xué)觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目［18］。SOFIA紅外望遠(yuǎn)鏡在大氣層所有水蒸氣之上的高度運(yùn)行，能夠充分觀測(cè)到宇宙的紅外譜段信息，但在運(yùn)行時(shí)要同時(shí)承受外界風(fēng)載與動(dòng)基座振動(dòng)的惡劣影響，同時(shí)自身視軸的變化也導(dǎo)致重力作用的不斷變化，如圖5所示。［19］SOFIA的2.7 m口徑主反射鏡由法國(guó)SAGEM公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與加工。它是由一整塊Zerodur零膨脹微晶玻璃在背部加工出半封閉六邊形輕量化孔而成，輕量化率達(dá)80%，鏡體自身一階自然頻率達(dá)240 Hz。主鏡的主支撐結(jié)構(gòu)剪力箱采用碳纖維增強(qiáng)塑料，在接口部位預(yù)埋有殷鋼和鈦合金鑲嵌件，如圖6［20］所示。主鏡通過(guò)側(cè)面三處Bipod支撐和背部18點(diǎn)的Whiffletree支撐件同剪力箱連為一體。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主鏡組件(PMA)總質(zhì)量為2 000 kg，一階自然頻率達(dá)70 Hz。圖7所示為SOFIA主鏡組件的爆炸視圖［21-22］。主鏡組件在高度輕量化的同時(shí)保持了較高的比剛度，并對(duì)主鏡進(jìn)行了正確的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，成功地滿足了觀測(cè)時(shí)的面形需求。

圖5 SOFIA首次打開艙門進(jìn)行飛行觀測(cè)Fig.5 SOFIA during its first open door flight

圖6 SOFIA主反射鏡與其背部細(xì)節(jié)Fig.6 Primary mirror of SOFIA ＆ back view

圖7 SOFIA主鏡組件爆炸圖Fig.7 SOFIA primary mirror mount assembly

3.3 HERSCHEL 3.5 m 口徑主反射鏡

歐洲空間局(ESA)建造的赫歇爾空間天文臺(tái)［22］(Herschel Space Observatory)在2009 年由阿麗亞娜五號(hào)火箭發(fā)射升空(見(jiàn)圖8)，進(jìn)入距離地球1.5×106km的L2拉格朗日點(diǎn)。2013年4月，它因液氦冷卻劑耗盡，已停止紅外觀測(cè)工作。Herschel的制造承包商ASTRIUM通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)采用全SiC材料［23］，成功地將望遠(yuǎn)鏡整機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量由1 500 kg減至315 kg，而其單塊式主反射鏡具有3.5 m口徑尺寸。主鏡的制備是通過(guò)將12塊SiC子鏡拼接焊接而成的，如圖9所示。其中均布的3塊子鏡背部有機(jī)械接口分別同3處Bipod支撐結(jié)構(gòu)連接，接口的細(xì)節(jié)見(jiàn)圖10所示。Herschel主鏡背部的輕量化形式為開放式的“大筋套小筋”，通過(guò)主干筋板形成穩(wěn)定的三角形輕量化孔，在每個(gè)輕量化孔內(nèi)部布有3條小筋，以增強(qiáng)局部剛度。

圖8 全部由SiC材料制造的HERSCHEL空間紅外望遠(yuǎn)鏡Fig.8 HERSCHEL all-in-SiC infrared space telescope

圖9 Herschel望遠(yuǎn)鏡主鏡組件結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Schematic diagram of HERSCHEL PMA structure

圖10 Herschel主鏡背部放大圖Fig.10 Detailed view of the rear face of HERSCHEL primary mirror including an interface

3.4 NWO 4 m口徑主反射鏡

為了同鮑爾宇航科技公司(Ball)競(jìng)爭(zhēng)NASA的下一代類地行星探索項(xiàng)目NWO(如圖11)，洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin)將一份工程分析合同授予了亞利桑那大學(xué)，以研究利用其成熟的硼硅酸鹽(Borosilicate)光學(xué)玻璃技術(shù)制造4 m口徑單塊式主鏡，并將具有此主鏡的空間反射鏡發(fā)射進(jìn)入500 kg高度近地軌道，用于探索類地行星與地外生命［24］。

圖11 亞利桑那大學(xué)提出的4 m口徑NOWFig.11 Overview of the 4 m monolithic mirror and NOW space telescope structure proposed by University of Arizona

亞利桑那大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在目前現(xiàn)有的美國(guó)EELV火箭運(yùn)載能力與載荷艙內(nèi)包絡(luò)尺寸下，將4 m口徑的單塊式主鏡空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射送入近地軌道是可行的。在權(quán)衡比較主鏡分塊拼接技術(shù)與單塊式主鏡技術(shù)后，該報(bào)告認(rèn)為主鏡的分塊拼接技術(shù)在空間望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用中過(guò)于復(fù)雜，成本昂貴，而亞利桑那大學(xué)在硼硅酸鹽玻璃制備地面望遠(yuǎn)鏡用超大口徑反射鏡以及非移動(dòng)式波前測(cè)量方面已經(jīng)具有成熟經(jīng)驗(yàn)。在6 nm RMS的高面形精度要求下，亞利桑那大學(xué)提出采用自行研制的硼硅酸鹽光學(xué)玻璃制備與加工技術(shù)，制造背部半封閉式輕量化結(jié)構(gòu)的4 m口徑單塊式主反射鏡，采用入軌前多點(diǎn)輔助支撐、入軌后三點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐的技術(shù)方案。并提出充分利用硼硅酸鹽光學(xué)玻璃的大熱脹系數(shù)，通過(guò)在背部輕量化孔中布置熱輻射加熱片驅(qū)動(dòng)主反射鏡鏡面變形從而實(shí)現(xiàn)在軌面形調(diào)整，如圖12所示。通過(guò)在次鏡支撐桁架桿上布置9處固定式五棱鏡來(lái)測(cè)量主次鏡之間的對(duì)準(zhǔn)誤差，在主鏡反射面表面安裝有哈特曼反射鏡陣列，這些哈特曼反射鏡指向第一像面，用于測(cè)量主鏡的面形變化，該輔助波前測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于地面上的6.5 m口徑LOTIS自準(zhǔn)直儀，如圖13所示。

圖12 鏡體的輕量化結(jié)構(gòu)與腔體內(nèi)的熱輻射加熱片F(xiàn)ig.12 Perspectives of the lightweight mirror and thermal radiator placed into each cell for controlling mirror shape

圖13 非移動(dòng)式波前系統(tǒng)可測(cè)量主次鏡位置變化與主鏡面形Fig.13 Non-moving supplementary wavefront systems measure alignment and mirror figure changes

3.5 ATLAST 8 m口徑主反射鏡

在Ares V運(yùn)載火箭項(xiàng)目出現(xiàn)后，NASA便開始籌劃利用其10 m口徑的載荷艙內(nèi)包絡(luò)尺寸將具有8 m口徑單塊式反射鏡的空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射進(jìn)入日—地 L2拉格朗日點(diǎn)，如圖 14所示［25-26］。ATLAST項(xiàng)目的概念由此而生。由于單塊式主反射鏡具有與生俱來(lái)的高對(duì)比度成像能力與優(yōu)異的波前控制能力，與分塊拼接式主反射鏡技術(shù)方案相比，采用8 m口徑單塊式主反射鏡將大大減小方案的成本與技術(shù)危險(xiǎn)。在已建成的地面望遠(yuǎn)鏡中8 m口徑的單塊式反射鏡的制造、檢測(cè)技術(shù)十分成熟，在此口徑上反射鏡的加工面形精度RMS值已能夠達(dá)到8 nm，并且同JWST那樣的可展開分塊拼接技術(shù)相比造價(jià)很低［27］。通過(guò)對(duì)8 m口徑單塊式主反射鏡的66點(diǎn)軸向支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，認(rèn)為這種設(shè)計(jì)能夠承受發(fā)射時(shí)的火箭動(dòng)載荷。目前已開展的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖15所示。在ATLAST的3種口徑技術(shù)方案中，該方案以其高性價(jià)比的單塊式主反射鏡結(jié)構(gòu)而被寄予最大的期望［28-29］。

圖14 8 m口徑單塊式主鏡空間望遠(yuǎn)鏡同HST的比較Fig.14 8 m aperture monolithic PM telescope compared with HST

圖15 8 m口徑空間望遠(yuǎn)鏡的配置方案Fig.15 Configuration of 8 m aperture telescope

4 超大口徑主反射鏡的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鏡坯制備與光學(xué)加工技術(shù)

超大口徑單塊反射鏡的鏡坯制備是基礎(chǔ)技術(shù)，需要具備相應(yīng)口徑規(guī)模的光學(xué)材料熔爐或燒結(jié)爐等特種設(shè)備，才能開展相應(yīng)尺寸的加工工作。美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡中通常使用的Corning ULE材料。Schott公司的 Zerodur微晶玻璃材料［30-32］、亞利桑那大學(xué)的Borosilicate材料都具有制備8 m以上鏡坯的能力，其中Corning公司又具備對(duì)8 m以上鏡坯輕量化機(jī)械加工的能力。美國(guó)L-3公司的Brashear部門、法國(guó)Sagem公司的REOSC部門與亞利桑那大學(xué)均具備對(duì)8 m口徑單塊反射鏡進(jìn)行光學(xué)加工與檢測(cè)的能力，均有加工實(shí)例和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。Gemini公司更是具有世界獨(dú)一無(wú)二的8.4 m口徑真空磁濺射鍍膜機(jī)［33］。上述反射鏡的加工，需要在制坯、測(cè)量、機(jī)械加工、光學(xué)拋光、光學(xué)鍍膜等各個(gè)環(huán)節(jié)具有相應(yīng)的大口徑設(shè)備。

4.2 地面與在軌光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

高精度面形光學(xué)反射鏡的加工需要高精度檢測(cè)設(shè)備的保證。4 m以上口徑的單塊反射鏡，其自身質(zhì)量隨反射鏡半徑的平方而迅速增加，反射鏡自身的重力變形也極具增大，傳統(tǒng)小口徑反射鏡的水平檢測(cè)光路就不再適用，需要搭建立式檢測(cè)光學(xué)。這不僅對(duì)檢測(cè)場(chǎng)所的建筑設(shè)施提出了高舉架的要求，同時(shí)光路長(zhǎng)度的增加也導(dǎo)致檢測(cè)穩(wěn)定的困難，可能需要制造更大體積的真空檢測(cè)容器來(lái)消除空氣對(duì)流擾動(dòng)的影響。

4.3 卸荷支承技術(shù)

隨著空間主反射鏡口徑的不斷增大，其在地面加工與檢測(cè)過(guò)程中的重力變形也越來(lái)越難以控制，而為了實(shí)現(xiàn)更輕的整機(jī)質(zhì)量，往往又對(duì)反射鏡體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，這又降低了鏡體的絕對(duì)剛度。如何保證反射鏡在加工后的面形精度即發(fā)射入軌工作后的面形精度，是對(duì)光學(xué)加工提出的一大挑戰(zhàn)。HST在地面加工時(shí)所采用的134點(diǎn)計(jì)量卸荷支撐，通過(guò)精確計(jì)算每個(gè)支撐點(diǎn)的支撐力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡體在光軸豎直放置進(jìn)行光學(xué)加工時(shí)的零重力狀態(tài)模擬。在2.4 m口徑的通光面上實(shí)現(xiàn)了6.4 nm RMS的面形精度。在SNAP的設(shè)計(jì)階段，更是對(duì)卸荷支撐點(diǎn)的位置與支撐力同時(shí)進(jìn)行了多變量?jī)?yōu)化。先對(duì)反射鏡鏡體進(jìn)行卸載支撐，加工完畢后再進(jìn)行“飛行支撐”安裝，是國(guó)外對(duì)超大口徑反射鏡加工采取的成熟策略。

4.4 飛行支撐與面形控制技術(shù)

在反射鏡的地面加工階段，即便是采取了卸荷支撐技術(shù)，在經(jīng)過(guò)飛行支撐安裝、運(yùn)輸、總裝、發(fā)射、在軌重力釋放和熱平衡、熱梯度作用后，反射鏡的面形精度難免會(huì)發(fā)生退化。而發(fā)射時(shí)的惡劣力學(xué)振動(dòng)環(huán)境也對(duì)支撐和主反射鏡的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。在HST、4 m口徑NWO以及8 m口徑ATLAST的支撐設(shè)計(jì)上，都采取了在軌主動(dòng)調(diào)整技術(shù)，用于修正主鏡重力釋放和發(fā)射時(shí)振動(dòng)所造成的鏡面變形。在4 m口徑NWO空間望遠(yuǎn)鏡中更是提出了在運(yùn)輸和發(fā)射時(shí)采取除三點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐以外的多點(diǎn)輔助支撐，以保證三點(diǎn)支撐和鏡體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在發(fā)射入軌后輔助支撐在機(jī)構(gòu)作用下會(huì)接觸對(duì)主反射鏡的夾持接觸，以保證主反射鏡在軌工作時(shí)不會(huì)過(guò)定位。

5 對(duì)3.5 m口徑主鏡技術(shù)方案的設(shè)想

由中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制的長(zhǎng)征5號(hào)運(yùn)載火箭的整流罩外直徑達(dá)到5.2 m，內(nèi)包絡(luò)直徑達(dá)到4.5 m，軸向長(zhǎng)度可隨載荷需求改變。未來(lái)長(zhǎng)征5號(hào)運(yùn)載火箭與海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心具備發(fā)射條件后，可具備將20 t級(jí)的空間望遠(yuǎn)鏡送入近地軌道的能力。這將使我國(guó)運(yùn)送航天器入軌的能力達(dá)到世界先進(jìn)水平，并使得超大口徑空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的論證、規(guī)劃與研制變得更加現(xiàn)實(shí)與緊迫。

綜合國(guó)內(nèi)加工設(shè)備能力、基礎(chǔ)條件與已有空間光學(xué)遙感器研制經(jīng)驗(yàn)，獨(dú)立自主的開展基于3.5 m口徑圓形單塊式主反射鏡的空間望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)研制是現(xiàn)實(shí)可行的。目前中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所(簡(jiǎn)稱中科院長(zhǎng)春光機(jī)所)光學(xué)技術(shù)中心已經(jīng)具備了4 m口徑以下量級(jí)圓形反射鏡反應(yīng)燒結(jié)SiC材料的輕量化制備與加工技術(shù)［34］，同時(shí)具備4 m口徑以下量級(jí)光學(xué)反射鏡的數(shù)控拋光、立式檢測(cè)和鍍膜能力［35-36］。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所已經(jīng)具有主鏡從制坯到總裝至空間望遠(yuǎn)鏡整機(jī)全流程的研制能力與條件。該空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)可采用卡塞格林式結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備可見(jiàn)光、近紅外、近紫外等主要觀測(cè)波段。主鏡鏡體采用單塊式結(jié)構(gòu)，地面檢測(cè)與加工時(shí)采用多點(diǎn)卸荷支撐以模擬在軌零重力場(chǎng)，運(yùn)輸與發(fā)射時(shí)采用運(yùn)動(dòng)學(xué)三點(diǎn)支撐加多點(diǎn)輔助支撐以增加強(qiáng)度，空間在軌運(yùn)行以運(yùn)動(dòng)學(xué)三點(diǎn)支撐，并應(yīng)設(shè)計(jì)有在軌面形調(diào)整機(jī)構(gòu)和在軌面形檢測(cè)手段。一旦主鏡發(fā)射入軌后面形退化超差，將采取調(diào)整補(bǔ)救措施。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外對(duì)2 m口徑以下的空間反射鏡往往通過(guò)采取簡(jiǎn)單的單塊式反射鏡加運(yùn)動(dòng)學(xué)三點(diǎn)被動(dòng)支撐方案即可滿足需要。對(duì)于2 m以上口徑的反射鏡，雖然分塊拼接主動(dòng)光學(xué)技術(shù)已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)用階段，但其結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高昂，失效危險(xiǎn)性大。隨著以EELV和Ares V等為代表的大型低成本運(yùn)載火箭的發(fā)展，空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)總體對(duì)整機(jī)允許質(zhì)量的約束有所放松，反射鏡允許質(zhì)量的增大帶來(lái)的是對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)復(fù)雜性要求和成本的降低，繼續(xù)在2 m以上的超大口徑空間主反射鏡中采取單塊式鏡體設(shè)計(jì)外加面形主動(dòng)調(diào)整的技術(shù)路線又重新成為國(guó)外空間光學(xué)結(jié)構(gòu)工程師的首選。鑒于天文學(xué)家的需求正使得空間望遠(yuǎn)鏡朝口徑越來(lái)越大的方向發(fā)展，一臺(tái)超大口徑空間望遠(yuǎn)鏡成本的劇增極可能成為國(guó)家航天事業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。JWST的高昂造價(jià)和不斷增加的預(yù)算已經(jīng)導(dǎo)致NASA削減了多項(xiàng)其他科學(xué)研究計(jì)劃。這是在制定未來(lái)超大口徑空間望遠(yuǎn)鏡總體規(guī)劃時(shí)必須借鑒的。依靠單塊式超大口徑主反射鏡技術(shù)將是未來(lái)一段時(shí)間空間望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域的優(yōu)先選擇。目前立足國(guó)內(nèi)技術(shù)條件，開展基于3.5 m口徑單塊式主鏡空間望遠(yuǎn)鏡的研制已經(jīng)愈發(fā)現(xiàn)實(shí)與緊迫，這將使我國(guó)在世界空間天基光學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域占有一席之地，并將極大地帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。

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