3.5 m 口径空间望远镜单块式主镜技术展望

李宗轩，金 光，张 雷，孔 林

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所小卫星技术国家地方联合工程研究中心，吉林长春130033)

1 引言

空间望远镜由于不受地面大气扰动、吸收与散射的影响而具有极其优越的空间观测能力。高分辨率、多光谱空间望远镜能使天文学家以前所未有的洞察力，探索如下科学问题的答案［1］:宇宙如何诞生又如何发展;哪些物质与基本规律影响着星系形成;是否存在适宜人类居住的类地行星;地外生命是否存在而又如何起源。

越来越高的空间分辨率要求空间望远镜设计的口径越来越大。在运载器运载能力与载荷舱整流罩内包络空间允许的前提下，实现最大的主反射镜口径尺寸是目前实现空间望远镜高分辨率与高信息收集能力的必然技术路线［2-4］。1990年，由美国国家航空航天局(NASA)规划并发射入轨的哈勃空间望远镜(HST)采用口径为2.4 m的单块式主反射镜，并经过在轨校正维护后获得清晰的图像与诸多科学新发现。詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)作为NASA的第二代空间望远镜，其口径为6.5 m，采用的可展开分块拼接式主反射镜技术先进而复杂，整个项目成本高昂并不断增加预算，进度缓慢，发射日期也推至2018年［5］。NASA在下一代空间望远镜的论证与研制阶段，基于技术成熟度与成本的考虑，又重新提出了基于单块式主反射镜的8 m口径空间望远镜技术解决方案［6-7］，这既得益于具有10 m内包络直径载荷舱的战神5号(Ares V)运载火箭的问世，同时也体现了NASA在工程项目中采用的实用主义。

本文通过介绍几种大口径空间望远镜的应用与研究进展，详细论述并分析超大口径单块式主反射镜的关键技术，并提出基于3.5 m口径主镜技术的空间望远镜设想。

2 超大口径空间望远镜的发展趋势

目前世界上已经发射入轨和计划发射的超大口径空间望远镜光学探测谱段主要集中在红外与可见光波段。对宇宙中在两个主要谱段所呈现信息日益迫切的观测需求，驱使着空间望远镜的口径不断朝着越来越大的方向发展。

在针对红外谱段的空间望远镜中，由欧洲空间局(ESA)建造并发射入轨的赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)是其中的翘楚。2009年发射入轨后，它便具有人类已发射入轨的空间望远镜中最大的单块式主反射镜—3.5 m口径。宇宙学与天体物理空间红外望远镜(SPICA)作为红外空间望远镜的另一极，是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、NASA以及ESA的合作项目［8］。同样具有口径为3.5 m 的主反射镜［9］，成为新一代的中远红外波段空间望远镜。SPICA将和以近、中红外波段(NIR/MIR)为主要观测谱段的JWST在红外太空观测中形成互补。

在针对可见光谱段的空间望远镜中，1990年发射入轨的哈勃空间望远镜(HST)开创性地改变了世界空间观测的格局，能同时观测紫外(UV)、可见光与近红外(NIR)波段的宇宙信息。它具有口径为2.4 m的单块式轻量化主反射镜。此后NASA在发射可见光波段大口径空间望远镜方面的努力从未停止。2009年发射入轨的开普勒空间望远镜(Kepler)被NASA设计用来发现其他环绕恒星运动的类地行星，通过观测太阳系外行星从其环绕的恒星前掠过的凌日现象，来推测该行星轨道的大小并估计它的温度［10］。它具有口径为1.4 m的单块式轻量化主反射镜［11］。计划中的超新星加速度探针(SNAP)是NASA与美国能源部合作的项目［12］，作为联合暗能量任务(JDEM)的一部分，计划于2020年之前发射，其单块式轻量化主反射镜口径为2 m［13］。该空间望远镜将被用于测量宇宙膨胀并确定加速宇宙膨胀的暗能量的性质。新世界观测者空间望远镜(NWO)是Kepler望远镜的下一代继任者，同样将用于发现适宜人类居住的类地行星，其单块式轻量化主反射镜口径为4 m。而由于JWST的可观测波段仅为MIP/NIR［14］，NASA为了在HST退役后保持空间望远镜的观测能力覆盖可见光与紫外波段，提出了先进技术大口径空间望远镜(ATLAST)项目，计划将一个具有8 m口径单块式主反射镜的空间望远镜发射至放置于太阳—地球的第二拉格朗日点位置，用于寻找类地行星并探索地外生命。

中国首台自行研制的大口径空间望远镜即将安装于2020年前后发射的首个载人空间站上。该空间望远镜计划安装于实验舱内，其单块式主反射镜的口径为2 m，它的特点在于拥有较大的视场，兼具红外与可见光观测谱段。

3 超大口径单块式天基主镜技术进展

3.1 HST 2.4 m 口径主反射镜

HST于1990年由发现号航天飞机送入轨道。由于光学加工承包商珀金·埃尔默公司(Perkin-Elmer)在主镜加工过程中检测所用反射式补偿器的误差，导致HST入轨成像后产生了严重的球差。这一错误经过在轨人工维护并安装球差校正镜(COSTAR)后，才得以更正［15-16］。在此之后HST显示了巨大的成功，得到的图像帮助天文学家解决了诸多的问题。HST的2.4 m口径单块式轻量化主反射镜由Corning公司的7941 ULE零膨胀玻璃熔合焊接而成，图1(a)为未镀膜前的蛋箱式轻量化结构，图1(b)为镀膜后主镜外观。主镜镜面面形精度RMS值被加工至6.4 nm。如此高的面形精度是依靠加工过程中的卸荷支撑技术以及相机总装时的柔性飞行支撑结构实现的。图2为安装于52点卸荷支撑上的HST主镜1.5 m口径缩比试验件。该试验件在此支撑上进行加工与检测，最终被抛光至λ/61 RMS的面形精度，初步验证了卸荷支撑设计的正确性。最终HST的2.4 m口径主镜是安装于134点的卸荷支撑上加工并检测的。在加工完成后，即由图2所示的卸荷支撑改为图3所示的飞行支撑，它由三处轴向支撑与三处切向支撑构成。图4为轴向支撑的结构图，可见主镜的轴向支撑采用了球铰与柔性铰链来实现无应力安装。在镀膜、运输、装调与发射期间主镜的机械接口即为三处轴向支撑［17］。

图1 HST的单块式主反射镜Fig.1 Monolithic primary mirror of HST

图2 安装于52点计量卸荷支撑并进行立式加工与检测的HST主镜1.5 m口径缩比试验件Fig.2 1.5 m diameter aspheric mirror fabricated and tested as a subscale experimental model of the PM for the HST

图3 HST主镜背部的轴向与切向支承结构Fig.3 Schematic diagram of the HST primary mirror showing the axial and radial supports

图4 HST主反射镜轴向支撑结构图Fig.4 Schematic diagram of one axial support for the HST PM

在主反射镜的背后还布置了24处促动器提供光学面形的在轨控制，但HST的主镜面形控制并不是在轨实时作用的，仅是为了在入轨后调整主镜由于重力释放所产生的像散式变形，事实上这一调整机构并未使用。

HST的23年服役历程充分说明了主反射镜对空间望远镜实现高质量成像的关键作用。其单块式主反射镜的轻量化设计、卸荷支撑加工技术与轴向支撑设计直到今天仍然值得借鉴。

3.2 SOFIA 2.7 m 口径主反射镜

同温层红外线天文台(SOFIA)是由NASA、德国航空太空中心(DLR)和大学太空研究协会(URSA)共同合作的红外线天文学观测望远镜项目［18］。SOFIA红外望远镜在大气层所有水蒸气之上的高度运行，能够充分观测到宇宙的红外谱段信息，但在运行时要同时承受外界风载与动基座振动的恶劣影响，同时自身视轴的变化也导致重力作用的不断变化，如图5所示。［19］SOFIA的2.7 m口径主反射镜由法国SAGEM公司负责设计与加工。它是由一整块Zerodur零膨胀微晶玻璃在背部加工出半封闭六边形轻量化孔而成，轻量化率达80%，镜体自身一阶自然频率达240 Hz。主镜的主支撑结构剪力箱采用碳纤维增强塑料，在接口部位预埋有殷钢和钛合金镶嵌件，如图6［20］所示。主镜通过侧面三处Bipod支撑和背部18点的Whiffletree支撑件同剪力箱连为一体。经过优化设计的主镜组件(PMA)总质量为2 000 kg，一阶自然频率达70 Hz。图7所示为SOFIA主镜组件的爆炸视图［21-22］。主镜组件在高度轻量化的同时保持了较高的比刚度，并对主镜进行了正确的运动学约束，成功地满足了观测时的面形需求。

图5 SOFIA首次打开舱门进行飞行观测Fig.5 SOFIA during its first open door flight

图6 SOFIA主反射镜与其背部细节Fig.6 Primary mirror of SOFIA ＆ back view

图7 SOFIA主镜组件爆炸图Fig.7 SOFIA primary mirror mount assembly

3.3 HERSCHEL 3.5 m 口径主反射镜

欧洲空间局(ESA)建造的赫歇尔空间天文台［22］(Herschel Space Observatory)在2009 年由阿丽亚娜五号火箭发射升空(见图8)，进入距离地球1.5×106km的L2拉格朗日点。2013年4月，它因液氦冷却剂耗尽，已停止红外观测工作。Herschel的制造承包商ASTRIUM通过对结构采用全SiC材料［23］，成功地将望远镜整机结构质量由1 500 kg减至315 kg，而其单块式主反射镜具有3.5 m口径尺寸。主镜的制备是通过将12块SiC子镜拼接焊接而成的，如图9所示。其中均布的3块子镜背部有机械接口分别同3处Bipod支撑结构连接，接口的细节见图10所示。Herschel主镜背部的轻量化形式为开放式的“大筋套小筋”，通过主干筋板形成稳定的三角形轻量化孔，在每个轻量化孔内部布有3条小筋，以增强局部刚度。

图8 全部由SiC材料制造的HERSCHEL空间红外望远镜Fig.8 HERSCHEL all-in-SiC infrared space telescope

图9 Herschel望远镜主镜组件结构图Fig.9 Schematic diagram of HERSCHEL PMA structure

图10 Herschel主镜背部放大图Fig.10 Detailed view of the rear face of HERSCHEL primary mirror including an interface

3.4 NWO 4 m口径主反射镜

为了同鲍尔宇航科技公司(Ball)竞争NASA的下一代类地行星探索项目NWO(如图11)，洛克希德马丁公司(Lockheed Martin)将一份工程分析合同授予了亚利桑那大学，以研究利用其成熟的硼硅酸盐(Borosilicate)光学玻璃技术制造4 m口径单块式主镜，并将具有此主镜的空间反射镜发射进入500 kg高度近地轨道，用于探索类地行星与地外生命［24］。

图11 亚利桑那大学提出的4 m口径NOWFig.11 Overview of the 4 m monolithic mirror and NOW space telescope structure proposed by University of Arizona

亚利桑那大学的研究团队认为在目前现有的美国EELV火箭运载能力与载荷舱内包络尺寸下，将4 m口径的单块式主镜空间望远镜发射送入近地轨道是可行的。在权衡比较主镜分块拼接技术与单块式主镜技术后，该报告认为主镜的分块拼接技术在空间望远镜应用中过于复杂，成本昂贵，而亚利桑那大学在硼硅酸盐玻璃制备地面望远镜用超大口径反射镜以及非移动式波前测量方面已经具有成熟经验。在6 nm RMS的高面形精度要求下，亚利桑那大学提出采用自行研制的硼硅酸盐光学玻璃制备与加工技术，制造背部半封闭式轻量化结构的4 m口径单块式主反射镜，采用入轨前多点辅助支撑、入轨后三点运动学支撑的技术方案。并提出充分利用硼硅酸盐光学玻璃的大热胀系数，通过在背部轻量化孔中布置热辐射加热片驱动主反射镜镜面变形从而实现在轨面形调整，如图12所示。通过在次镜支撑桁架杆上布置9处固定式五棱镜来测量主次镜之间的对准误差，在主镜反射面表面安装有哈特曼反射镜阵列，这些哈特曼反射镜指向第一像面，用于测量主镜的面形变化，该辅助波前测量系统已经成功应用于地面上的6.5 m口径LOTIS自准直仪，如图13所示。

图12 镜体的轻量化结构与腔体内的热辐射加热片Fig.12 Perspectives of the lightweight mirror and thermal radiator placed into each cell for controlling mirror shape

图13 非移动式波前系统可测量主次镜位置变化与主镜面形Fig.13 Non-moving supplementary wavefront systems measure alignment and mirror figure changes

3.5 ATLAST 8 m口径主反射镜

在Ares V运载火箭项目出现后，NASA便开始筹划利用其10 m口径的载荷舱内包络尺寸将具有8 m口径单块式反射镜的空间望远镜发射进入日—地 L2拉格朗日点，如图 14所示［25-26］。ATLAST项目的概念由此而生。由于单块式主反射镜具有与生俱来的高对比度成像能力与优异的波前控制能力，与分块拼接式主反射镜技术方案相比，采用8 m口径单块式主反射镜将大大减小方案的成本与技术危险。在已建成的地面望远镜中8 m口径的单块式反射镜的制造、检测技术十分成熟，在此口径上反射镜的加工面形精度RMS值已能够达到8 nm，并且同JWST那样的可展开分块拼接技术相比造价很低［27］。通过对8 m口径单块式主反射镜的66点轴向支撑结构进行动力学分析，认为这种设计能够承受发射时的火箭动载荷。目前已开展的详细结构设计如图15所示。在ATLAST的3种口径技术方案中，该方案以其高性价比的单块式主反射镜结构而被寄予最大的期望［28-29］。

图14 8 m口径单块式主镜空间望远镜同HST的比较Fig.14 8 m aperture monolithic PM telescope compared with HST

图15 8 m口径空间望远镜的配置方案Fig.15 Configuration of 8 m aperture telescope

4 超大口径主反射镜的关键技术

4.1 镜坯制备与光学加工技术

超大口径单块反射镜的镜坯制备是基础技术，需要具备相应口径规模的光学材料熔炉或烧结炉等特种设备，才能开展相应尺寸的加工工作。美国空间望远镜中通常使用的Corning ULE材料。Schott公司的 Zerodur微晶玻璃材料［30-32］、亚利桑那大学的Borosilicate材料都具有制备8 m以上镜坯的能力，其中Corning公司又具备对8 m以上镜坯轻量化机械加工的能力。美国L-3公司的Brashear部门、法国Sagem公司的REOSC部门与亚利桑那大学均具备对8 m口径单块反射镜进行光学加工与检测的能力，均有加工实例和相关经验。Gemini公司更是具有世界独一无二的8.4 m口径真空磁溅射镀膜机［33］。上述反射镜的加工，需要在制坯、测量、机械加工、光学抛光、光学镀膜等各个环节具有相应的大口径设备。

4.2 地面与在轨光学检测技术

高精度面形光学反射镜的加工需要高精度检测设备的保证。4 m以上口径的单块反射镜，其自身质量随反射镜半径的平方而迅速增加，反射镜自身的重力变形也极具增大，传统小口径反射镜的水平检测光路就不再适用，需要搭建立式检测光学。这不仅对检测场所的建筑设施提出了高举架的要求，同时光路长度的增加也导致检测稳定的困难，可能需要制造更大体积的真空检测容器来消除空气对流扰动的影响。

4.3 卸荷支承技术

随着空间主反射镜口径的不断增大，其在地面加工与检测过程中的重力变形也越来越难以控制，而为了实现更轻的整机质量，往往又对反射镜体进行轻量化设计，这又降低了镜体的绝对刚度。如何保证反射镜在加工后的面形精度即发射入轨工作后的面形精度，是对光学加工提出的一大挑战。HST在地面加工时所采用的134点计量卸荷支撑，通过精确计算每个支撑点的支撑力，实现了对镜体在光轴竖直放置进行光学加工时的零重力状态模拟。在2.4 m口径的通光面上实现了6.4 nm RMS的面形精度。在SNAP的设计阶段，更是对卸荷支撑点的位置与支撑力同时进行了多变量优化。先对反射镜镜体进行卸载支撑，加工完毕后再进行“飞行支撑”安装，是国外对超大口径反射镜加工采取的成熟策略。

4.4 飞行支撑与面形控制技术

在反射镜的地面加工阶段，即便是采取了卸荷支撑技术，在经过飞行支撑安装、运输、总装、发射、在轨重力释放和热平衡、热梯度作用后，反射镜的面形精度难免会发生退化。而发射时的恶劣力学振动环境也对支撑和主反射镜的结构强度提出了更高的要求。在HST、4 m口径NWO以及8 m口径ATLAST的支撑设计上，都采取了在轨主动调整技术，用于修正主镜重力释放和发射时振动所造成的镜面变形。在4 m口径NWO空间望远镜中更是提出了在运输和发射时采取除三点运动学支撑以外的多点辅助支撑，以保证三点支撑和镜体的结构强度，在发射入轨后辅助支撑在机构作用下会接触对主反射镜的夹持接触，以保证主反射镜在轨工作时不会过定位。

5 对3.5 m口径主镜技术方案的设想

由中国运载火箭技术研究院研制的长征5号运载火箭的整流罩外直径达到5.2 m，内包络直径达到4.5 m，轴向长度可随载荷需求改变。未来长征5号运载火箭与海南文昌卫星发射中心具备发射条件后，可具备将20 t级的空间望远镜送入近地轨道的能力。这将使我国运送航天器入轨的能力达到世界先进水平，并使得超大口径空间光学望远镜的论证、规划与研制变得更加现实与紧迫。

综合国内加工设备能力、基础条件与已有空间光学遥感器研制经验，独立自主的开展基于3.5 m口径圆形单块式主反射镜的空间望远镜系统研制是现实可行的。目前中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称中科院长春光机所)光学技术中心已经具备了4 m口径以下量级圆形反射镜反应烧结SiC材料的轻量化制备与加工技术［34］，同时具备4 m口径以下量级光学反射镜的数控抛光、立式检测和镀膜能力［35-36］。中科院长春光机所已经具有主镜从制坯到总装至空间望远镜整机全流程的研制能力与条件。该空间望远镜光学系统可采用卡塞格林式结构，同时具备可见光、近红外、近紫外等主要观测波段。主镜镜体采用单块式结构，地面检测与加工时采用多点卸荷支撑以模拟在轨零重力场，运输与发射时采用运动学三点支撑加多点辅助支撑以增加强度，空间在轨运行以运动学三点支撑，并应设计有在轨面形调整机构和在轨面形检测手段。一旦主镜发射入轨后面形退化超差，将采取调整补救措施。

6 结束语

国外对2 m口径以下的空间反射镜往往通过采取简单的单块式反射镜加运动学三点被动支撑方案即可满足需要。对于2 m以上口径的反射镜，虽然分块拼接主动光学技术已经开始进入实用阶段，但其结构与控制系统复杂，造价高昂，失效危险性大。随着以EELV和Ares V等为代表的大型低成本运载火箭的发展，空间望远镜技术总体对整机允许质量的约束有所放松，反射镜允许质量的增大带来的是对空间望远镜技术复杂性要求和成本的降低，继续在2 m以上的超大口径空间主反射镜中采取单块式镜体设计外加面形主动调整的技术路线又重新成为国外空间光学结构工程师的首选。鉴于天文学家的需求正使得空间望远镜朝口径越来越大的方向发展，一台超大口径空间望远镜成本的剧增极可能成为国家航天事业的经济负担。JWST的高昂造价和不断增加的预算已经导致NASA削减了多项其他科学研究计划。这是在制定未来超大口径空间望远镜总体规划时必须借鉴的。依靠单块式超大口径主反射镜技术将是未来一段时间空间望远镜领域的优先选择。目前立足国内技术条件，开展基于3.5 m口径单块式主镜空间望远镜的研制已经愈发现实与紧迫，这将使我国在世界空间天基光学观测领域占有一席之地，并将极大地带动相关领域技术的发展。

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