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)普列謝茨克發射場，“聯盟”2-Ib火箭將一顆編號“宇宙”2441的光電偵察衛星送入太陽同步軌道，這是俄羅斯近年來發射的第一顆新一代光電偵察衛星。由于涉及到俄羅斯偵察衛星的最高機密，因此有關這顆衛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衛星使用了類似“阿肯”1的光學系統。為了分析該衛星的光學系統，就要先介紹一下“阿肯”1衛星的背景。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星的代號。而“阿肯”1實際上是前蘇聯上世紀80年代研制的第八代偵察衛星計劃：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”衛星的光學系統，目前沒有俄方公開的權威資料。不過根據國內編纂的“衛星偵查參考資料”以及相關報告，還有拉沃奇金聯合體的有限資料可以大致看出，

“特工”／“阿肯”衛星的光學系統構成屬于折反式卡塞格倫光學系統，這與之前俄羅斯的“琥珀類”光學偵查衛星采用小孔徑折射系統明顯不同。一般來說，折射式系統易于安裝調試和檢測且成像質量高，但是隨著孔徑的加大，需要采用復雜的系統來消除相差。另外，折射系統的重量通常較大。例如“琥珀類”衛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，反射式系統沒有相差、鏡頭可向大尺寸發展、采用碳化硅或鈹反射鏡可以大幅度減輕重量，因此焦距15米以上的光學系統均采用反射式系統。由此判斷，像“特工”／“阿肯”這類的大孔徑長焦距系統采用反射式或折反式光學系統是合理的選擇。

根據“阿肯”I衛星在2120公里的高度全色分辨率為2米(軍用“特工”衛星的分辨率更高，估計同樣高度下可達1米)和其光學系統是一種折反式卡塞格倫系統這些重要線索表明：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，要想保證光學系統結構緊湊以便能安裝在估計長度11米的衛星內，折反式卡塞格倫望遠鏡的有效焦距必須短于標稱的27米。這就需要在系統設計中加一個焦距延長器(由一組透鏡構成，在主鏡之后)，以提供附加的焦距。根據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。可以看出這是一個非常大的光學系統。再加上為獲得高分辨率所必須的溫控系統和軌道機動所需燃料的重量，就無怪乎第一顆“阿肯”衛星使用質子火箭發射。不過根據兩顆已經發射的“宇宙”2344／2392來看，這種衛星的性能還不穩定，均未達壽命期就報廢了。

從以上對“阿肯”衛星的介紹可以看出，新一代“宇宙”2441如果采用類似光學系統的話，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”衛星光學系統的報道，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的光學系統結構有一點尚未弄清，那就是其采用的是共軸還是離軸全反射系統，以及相對于“特工”／“阿肯”的光學系統，其改進之處如何?共軸全反射系統的光路中間有遮攔，會影響分辨率，采用離軸全反射系統則沒有這個問題，但是加工檢測復雜。目前尚不知道“宇宙”2441衛星是否采用離軸結構。根據新聞報道，這顆衛星使用的是“資源”DKI衛星平臺。從“資源”DKI的平臺結構以及目前的推測圖來看，應當是共軸／擬共軸系統。前面曾經提到“宇宙”2441的光學系統類似“特工”／“阿肯”的光學系統，但是有不同(或是說有改進)。根據Wikipedia的信息顯示，“宇宙”2441的光學系統可能是一款長焦距的三反式／二級光學系統，而“特工”／“阿肯”衛星采用折反式光學系統。“特工”／“阿肯”衛星的折反式光學系統在主鏡之后是一組透鏡構成的焦距延長器，而“宇宙”2441衛星的光學系統在主鏡之后是場鏡和二級校正鏡。“宇宙”2441衛星采用三反式長焦距系統，并采用了類似“哈勃”望遠鏡的二級光學系統。

二級光學的基本思想是將系統分兩級成像，第一級保證得到大的相對孔徑，其像質一般；第二級主要是校正第一級的成像質量，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，使其加工裝調難度降低，成本下降；像質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射由新型的“聯盟”2-1b火箭完成。“聯盟”2-1b火箭在普列謝茨克發射時的運載能力為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”衛星明顯的簡化。另外，比較特殊的是這顆衛星是被發射到太陽同步軌道上的，而以前蘇俄的光學偵查衛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技術是光電成像衛星的核心技術之一，但是由于前蘇聯

在光電子領域落后于西方，因此在80年代后期才發射了數字成像衛星。前蘇聯研制數字成像衛星的關鍵也是CCD器件的研制，大約花了10年時間攻克這個難關。根據相關報告介紹，蘇聯解體后不久，俄羅斯就已經完成或正在研制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。也有蘇聯解體以后涌現出來的企業，例如焦平面工藝技術公司等等。其中，“資源”DK1衛星所使用的CCD陣列是電子-光導研究所(現成立了ELAR公司)研制的ELCT1080v1U。

根據“宇宙”2441衛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。這要說明一下CCD像元尺寸對于衛星分辨率的影響，除了大氣擾動以外，光學系統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。光學系統的分辨率一般是根據瑞利規則：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。根據這個公式，“阿肯”在2120公里高度時的光學系統極限分辨率是0.36米，而實際上軍用的“特工”衛星也達不到這樣高的分辨率。因此，問題不是出在光學系統上，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，根據這個公式，按照“特工”衛星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”衛星的分辨率推測是一致的。如果將“特工”衛星的高度降低到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衛星的焦距至少是20米。當然，由于技術進步使得“宇宙”2441衛星的長度和光學系統總長度比“阿肯”，“特工”衛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字成像偵察衛星，在體積、重量、壽命、光學系統和CCD器件上展現了一些新的特征，是其近幾年技術進步的集中體現。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)