從“寬視場紅外巡天望遠鏡”分析美軍光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展

劉韜 龍亮（ 北京空間科技信息研究所 北京空間機電研究所）

從“寬視場紅外巡天望遠鏡”分析美軍光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展

Technology Development Analysis of U.S. Optical Reconnaissance Satellite Based on WFIRST Technology

劉韜1龍亮2（1 北京空間科技信息研究所 2 北京空間機電研究所）

“寬視場紅外巡天望遠鏡”(WFlRST)是美國航空航天局（NASA）提出的紅外空間觀測臺，在名為“新世界，新視野”（NWNH）的天文學(xué)和天體物理學(xué)領(lǐng)域“10年調(diào)查”中，該巡天望遠鏡被美國國家研究委員會（NRC）選中，作為未來10年天文領(lǐng)域的最高優(yōu)先級項目。

該望遠鏡的最新設(shè)計方案采用了美國國家偵察局（NRO）贈予的偵察衛(wèi)星遺留的望遠鏡系統(tǒng)，對其部件的跟蹤研究將對研究美軍絕密級光學(xué)成像偵察衛(wèi)星載荷的發(fā)展有一定的幫助作用。

1 項目情況

“寬視場紅外巡天望遠鏡”項目進展一波三折。該項目于2010年進入預(yù)研階段，由于NASA預(yù)算緊縮，該項目一度進展緩慢。2011年，NASA接受了美國國家偵察局贈予的偵察衛(wèi)星遺留望遠鏡系統(tǒng)，使該項目出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。此后，“寬視場紅外巡天望遠鏡”項目組對偵察衛(wèi)星望遠鏡是否適于空間望遠鏡使用進行了論證，并基于美國國家偵察局望遠鏡修改了最初的設(shè)計方案，新方案于2015年12月通過了任務(wù)概念評審。該項目于2016年2月正式進入項目實施階段。

該項目可追溯到NASA與美國能源部的“聯(lián)合暗能量任務(wù)”（JDEM）。2008年，NASA和美國能源部簽署了“聯(lián)合暗能量任務(wù)”的諒解備忘錄，該任務(wù)的目的是研制用于觀測暗能量的空間望遠鏡。“寬視場紅外巡天望遠鏡”的原始設(shè)計基于“聯(lián)合暗能量任務(wù)”的設(shè)計建議。2010年8月，美國科學(xué)院“10年調(diào)查”小組提議，將“寬視場紅外巡天望遠鏡”作為美國推進暗能量研究和尋找新的外星行星的首選空間天文臺，建議NASA到2020年發(fā)射這架估值16億美元的觀測臺。

“聯(lián)合暗能量任務(wù)”示意圖

但是，隨著NASA預(yù)算的緊縮，NASA只能力?！罢材匪?韋伯空間望遠鏡”（JWST），而無暇更多地顧及“寬視場紅外巡天望遠鏡”?？蒲腥藛T估計NASA無法在2025年前發(fā)射“寬視場紅外巡天望遠鏡”，NASA沒有足夠的資金啟動該項目，該計劃基本已經(jīng)變成了“紙上談兵”。

然而，事情出現(xiàn)了巨大轉(zhuǎn)機。2011年1月，美國國家偵察局向NASA透露，有2架偵察衛(wèi)星遺留的望遠鏡可以提供給民用機構(gòu)。隨后，一批科學(xué)家被組織起來，秘密地調(diào)研利用這2架望遠鏡做空間天文研究的可行性，這些科學(xué)家來自NASA、普林斯頓大學(xué)（Princeton University）、美國空間望遠鏡科學(xué)研究所（STScI）等機構(gòu)。NASA于2011年8月接受了美國國家偵察局的贈予，并于2012年6月4日正式對外宣布了這一事件，引發(fā)了科學(xué)界的轟動。除包括2架完整的望遠鏡外，美國國家偵察局的贈予還包括了一個主反射鏡和其他部件。

根據(jù)報道，這些部件是20世紀(jì)90年代末到21世紀(jì)初為已失敗的“未來成像體系”（FIA）雷達衛(wèi)星項目建造的。移交NASA的望遠鏡是全新的，但所有的CCD探測器和電子部件已被拆除，根據(jù)國家保密政策，技術(shù)手冊大部分內(nèi)容被馬賽克覆蓋。也有美國專家分析，這些部件可能是鎖眼－11（KH－11）系列衛(wèi)星的部件。鎖眼－11于1976年發(fā)射，目前已被視場更寬的新型載荷取代（據(jù)分析，應(yīng)為現(xiàn)役鎖眼－12衛(wèi)星）。盡管美國國家偵察局認為這些部件對于偵察已經(jīng)過時，但科學(xué)家仍認為其是先進的光學(xué)系統(tǒng)。

2012年，NASA研究了美國國家偵察局光學(xué)成像望遠鏡對于“寬視場紅外巡天望遠鏡”項目的適用性，得出國家偵察局的望遠鏡適用于該項目，遺留望遠鏡口徑為2.4m，口徑與“哈勃空間望遠鏡”（HST）相同。而“寬視場紅外巡天望遠鏡”原計劃的望遠鏡口徑為1.3m，美國國家偵察局的望遠鏡解析能力更好，且焦距比“哈勃空間望遠鏡”短，因此具有更大的視場。2013年，“寬視場紅外巡天望遠鏡”基于國家偵察局的2.4m的望遠鏡進行了重新設(shè)計，使用已有望遠鏡極大降低了項目風(fēng)險。

美國國會在2014財年為“寬視場紅外巡天望遠鏡”提供了5600萬美元，在2015財年提供了5000萬美元，2016年財政支出法案為該項目提供了9000萬美元，遠高于NASA的1400萬美元的預(yù)算申請，這意味著該項目將進入實施階段。2016年1月4日，在第227屆美國天文學(xué)會（AAS）大會上，NASA天體物理學(xué)部主管保羅·赫茲表示，“寬視場紅外巡天望遠鏡”將在2月進入實施階段，該階段標(biāo)志著NASA項目管理程序的開始。在最初的設(shè)計建議基礎(chǔ)上，“寬視場紅外巡天望遠鏡”增加了一些額外的功能，包括利用引力透鏡尋找太陽系外行星，探索宇宙的膨脹歷史和宇宙結(jié)構(gòu)的增長，廣義相對論的一致性和時空的曲率等。

“寬視場紅外巡天望遠鏡”將成為繼“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”之后，NASA的下一個旗艦級空間望遠鏡項目?！皩捯晥黾t外巡天望遠鏡”團隊估計，基于當(dāng)前的基線設(shè)計，該任務(wù)成本將達到20億～23億美元，預(yù)計將在2024年8月發(fā)射。專家認為，使用國家偵察局的望遠鏡并不一定意味著該項目可以節(jié)省開支，但是“寬視場紅外巡天望遠鏡”已經(jīng)具有一定的政治意義，其有望成為NASA有史以來第一個使用的偵察衛(wèi)星望遠鏡。

組裝“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”鏡片

盡管NASA選擇國家偵察局的一個遺留望遠鏡作為“寬視場紅外巡天望遠鏡”的研制基礎(chǔ)，但目前還沒有如何利用第二個遺留望遠鏡的規(guī)劃和預(yù)算。天文學(xué)家已經(jīng)開始了相關(guān)研究，NASA正在考慮幾十個提案，但國家偵察局捐贈的唯一條件是禁止進行對地觀測。NASA表示第二個遺留望遠鏡可以用于火星探測器，其觀測分辨率是目前“火星勘察軌道器”（MRO）上的“高分辨率成像科學(xué)儀器”（HiRISE）的4倍。

2 技術(shù)方案

“寬視場紅外巡天望遠鏡”最初基于主鏡口徑1.3m的三反離軸望遠鏡系統(tǒng)進行設(shè)計，但在該方案設(shè)計幾乎完成的時候，NASA獲得了國家偵察局的望遠鏡，之后重新論證了基于該遺留的軍用天基偵察望遠鏡，設(shè)計紅外巡天空間望遠鏡的技術(shù)方案，該新方案稱為“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡”（WFIRST-AFTA）設(shè)備。

“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡”設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

第一版技術(shù)方案

寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3的方案采用三反離軸無遮攔的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)口徑1.3m，F(xiàn)數(shù)為15.9，光學(xué)系統(tǒng)工作溫度205K。

寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3后端有效載荷通道可分為科學(xué)載荷和輔助高精度導(dǎo)航敏感載荷2個通道?？茖W(xué)載荷有效視場為0.375deg2（面陣型光學(xué)儀器視場的表示方法），成像模式工作譜段覆蓋0.78～2.4μm，2種光譜探測模式工作譜段分別覆蓋0.6～2μm與1.5～2.4μm?？茖W(xué)載荷光機結(jié)構(gòu)工作溫度為150K，焦平面探測器由36塊2K×2K（即每塊2048×2048像素數(shù)）的碲鉻汞（HgCdTe）探測器組成，呈4行9列布局。探測器像元尺寸為18μm，截止波長為2.5μm，每個探測像元對應(yīng)瞬時視場為0.18″，探測器工作溫度為100K。寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3所設(shè)計的科學(xué)載荷可以開展超新星觀測、星系紅移測量、巡天弱目標(biāo)探測等科學(xué)任務(wù)。

寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3輔助高精度導(dǎo)航敏感載荷視場為0.04deg2，工作譜段0.6～2.0μm，焦平面探測器由4片2K×2K探測器組成，分布在科學(xué)載荷視場兩端，每個探測像元對應(yīng)瞬時視場為0.25″。輔助高精度導(dǎo)航敏感載荷用于觀測時對觀測指向進行高精度測量，以實現(xiàn)高精度指向控制。

寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3總質(zhì)量約2.5t，計劃工作于距離地球1.50×106km的拉格朗日2點（L2點）。

第二版技術(shù)方案

“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡設(shè)備”的運行軌道選定為傾角28.5°的地球同步軌道（GSO），該軌道相比寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3的L2軌道，最大的好處是可以保證不間斷的數(shù)據(jù)下傳，提高數(shù)傳速率。但其空間熱環(huán)境和輻照環(huán)境相比L2點軌道要惡劣一些，需在熱控和輻射防護方面加強設(shè)計?！皩捯晥黾t外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡設(shè)備”平臺的設(shè)計必須滿足其地球同步軌道的空間運行環(huán)境，將基于在地球同步軌道運行的“太陽動力學(xué)觀測臺”（SDO）進行設(shè)計。

運行于地球同步軌道的“太陽動力學(xué)觀測臺”示意圖

載荷方面，“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡設(shè)備”主光學(xué)系統(tǒng)是一個同軸兩反的光學(xué)系統(tǒng)。基于國家偵察局望遠鏡設(shè)計，口徑為2.4m，F(xiàn)數(shù)為8，近軸區(qū)域總波前誤差小于60nm。次鏡位置在軌可以通過機構(gòu)實現(xiàn)六自由度調(diào)整，以獲得最佳成像效果。整個光學(xué)系統(tǒng)的遮攔比約為30%。主鏡由超低膨脹玻璃（ULE）制造，采用艾塞利斯公司（Exelis）的技術(shù)進行輕量化處理，支撐結(jié)構(gòu)采用殷鋼。望遠鏡系統(tǒng)質(zhì)量約1.2t，包括外遮光罩。

在其他條件相同的情況下，采用“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡設(shè)備”技術(shù)方案收集紅外輻射的能力是寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3的3倍多，極限分辨能力提高了1.9倍，但同時比1.3m口徑的方案小了約30%的視場。但盡管如此，其有效視場約是“哈勃空間望遠鏡”的“先進巡天相機”（ACS）視場的90倍、寬視場相機－3（WFC－3）視場的200倍，以及“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”上“近紅外相機”（NIRCam）視場的200倍?！皩捯晥黾t外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡設(shè)備”的科學(xué)儀器包括寬視場成像儀（WFI）和日冕觀測儀。

3 技術(shù)進展分析

從“寬視場紅外巡天望遠鏡”項目的技術(shù)發(fā)展情況，可以進一步挖掘美軍光學(xué)成像偵察衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展。

重視高分辨率大幅寬設(shè)計

此次事件曝光了國家偵察局贈送NASA望遠鏡的部分技術(shù)指標(biāo)，不論這些遺留望遠鏡是鎖眼－11的部件，還是“未來成像體系”計劃遺留的部件，都可從技術(shù)發(fā)展上看出美國重視高分辨率、大幅寬設(shè)計。美國采用縮短焦距的方法，并很可能采用提高探測器規(guī)模的方法增大幅寬，同時很可能采用減小像元尺寸以彌補空間分辨率的損失。以上推斷可從“哈勃空間望遠鏡”到“寬視場紅外巡天望遠鏡”的技術(shù)發(fā)展過程得以證明。

首先，“哈勃空間望遠鏡”與“寬視場紅外巡天望遠鏡”的口徑相同，均為2.4m，在相同工作波長條件下，具有相同的角分辨率，而“寬視場紅外巡天望遠鏡”的焦距更短，從而實現(xiàn)了較大的幅寬。其次，“寬視場紅外巡天望遠鏡”的焦平面技術(shù)與“哈勃空間望遠鏡”相比，已經(jīng)先進很多。“寬視場紅外巡天望遠鏡”的紅外相機采用了紅外碲鉻汞探測器拼接技術(shù)，將18塊4K×4K像元數(shù)的探測器拼接在一起，使整個焦平面的尺寸是“哈勃空間望遠鏡”單塊碲鉻汞探測器的10余倍。焦距縮短與探測器總體尺寸的增大，使“寬視場紅外巡天望遠鏡”的視場是“哈勃空間望遠鏡”的100倍。

次鏡促動器進行精確對焦

組成望遠鏡的各鏡片曲率半徑和鏡片間距決定了望遠鏡的焦距。目前，民用相機可以通過拉伸鏡筒的方式（即改變鏡片間距）使鏡頭變焦，但空間望遠鏡一般很難通過鏡片的移動改變焦距，所以仍是“定焦”鏡頭。國家偵察局遺留的望遠鏡次鏡帶有促動器，可實現(xiàn)精確的對焦，使圖像焦點清晰銳利。

重視探測器技術(shù)的發(fā)展

在國家偵察局贈送NASA望遠鏡之前，已經(jīng)把探測器拆除，說明探測器是絕密中的絕密部件。探測器像元尺寸越小，空間分辨率越高?！皩捯晥黾t外巡天望遠鏡-天體物理學(xué)聚焦望遠鏡設(shè)備”紅外相機探測器像元尺寸從“哈勃空間望遠鏡”的18μm縮小到10μm，同時單塊探測器像元數(shù)量增加了16倍，從“哈勃空間望遠鏡”的1K×1K發(fā)展到4K×4K，再通過探測器拼接技術(shù)，實現(xiàn)了大規(guī)模的焦平面陣列。

反射鏡材料和加工技術(shù)進一步保障了清晰的圖像

國家偵察局遺留望遠鏡曝光了偵察衛(wèi)星采用的主反射鏡材料與“哈勃空間望遠鏡”的相同，為超低膨脹玻璃材料。該材料具有很強的熱穩(wěn)定性，適于嚴(yán)酷的空間工作熱環(huán)境；采用蜂窩夾心結(jié)構(gòu)，不但有利于鏡片輕量化，而且提高了鏡片的結(jié)構(gòu)強度；曝光了遺留望遠鏡具有系統(tǒng)近軸區(qū)域總波前誤差小于60nm的指標(biāo)，說明美國具有很高的反射鏡高精度加工技術(shù)。

4 啟示

從“哈勃空間望遠鏡”到“寬視場紅外巡天望遠鏡”的技術(shù)發(fā)展，從側(cè)面說明了美國高分辨率光學(xué)成像偵察衛(wèi)星有效載荷向高分辨率、大幅寬發(fā)展，向具有更強的紅外成像能力發(fā)展，向具有自動對焦技術(shù)發(fā)展。大口徑反射鏡的材料技術(shù)、加工技術(shù)是保障高分辨率光學(xué)成像偵察衛(wèi)星發(fā)展的重要基礎(chǔ)。探測器技術(shù)是國外高度重視的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是紅外探測器技術(shù)，美國探測器規(guī)模和像元尺寸等技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)了大跨度的進步，這些技術(shù)發(fā)展動向值得高度關(guān)注。