從“寬視場紅外巡天望遠鏡”分析美軍光學成像偵察衛星的技術發展

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”分析美軍光學成像偵察衛星的技術發展

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）的天文學和天體物理學領域“10年調查”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年天文領域的最高優先級項目。

該望遠鏡的最新設計方案采用了美國國家偵察局（NRO）贈予的偵察衛星遺留的望遠鏡系統，對其部件的跟蹤研究將對研究美軍絕密級光學成像偵察衛星載荷的發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年進入預研階段，由于NASA預算緊縮，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星遺留望遠鏡系統，使該項目出現了轉機。此后，“寬視場紅外巡天望遠鏡”項目組對偵察衛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計方案，新方案于2015年12月通過了任務概念評審。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“聯合暗能量任務”（JDEM）。2008年，NASA和美國能源部簽署了“聯合暗能量任務”的諒解備忘錄，該任務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”的原始設計基于“聯合暗能量任務”的設計建議。2010年8月，美國科學院“10年調查”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年發射這架估值16億美元的觀測臺。

“聯合暗能量任務”示意圖

但是，隨著NASA預算的緊縮，NASA只能力保“詹姆斯-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”。科研人員估計NASA無法在2025年前發射“寬視場紅外巡天望遠鏡”，NASA沒有足夠的資金啟動該項目，該計劃基本已經變成了“紙上談兵”。

然而，事情出現了巨大轉機。2011年1月，美國國家偵察局向NASA透露，有2架偵察衛星遺留的望遠鏡可以提供給民用機構。隨后，一批科學家被組織起來，秘密地調研利用這2架望遠鏡做空間天文研究的可行性，這些科學家來自NASA、普林斯頓大學（Princeton University）、美國空間望遠鏡科學研究所（STScI）等機構。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，引發了科學界的轟動。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。

根據報道，這些部件是20世紀90年代末到21世紀初為已失敗的“未來成像體系”（FIA）雷達衛星項目建造的。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，根據國家保密政策，技術手冊大部分內容被馬賽克覆蓋。也有美國專家分析，這些部件可能是鎖眼－11（KH－11）系列衛星的部件。鎖眼－11于1976年發射，目前已被視場更寬的新型載荷取代（據分析，應為現役鎖眼－12衛星）。盡管美國國家偵察局認為這些部件對于偵察已經過時，但科學家仍認為其是先進的光學系統。

2012年，NASA研究了美國國家偵察局光學成像望遠鏡對于“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計，使用已有望遠鏡極大降低了項目風險。

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屆美國天文學會（AAS）大會上，NASA天體物理學部主管保羅·赫茲表示，“寬視場紅外巡天望遠鏡”將在2月進入實施階段，該階段標志著NASA項目管理程序的開始。在最初的設計建議基礎上，“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構的增長，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。“寬視場紅外巡天望遠鏡”團隊估計，基于當前的基線設計，該任務成本將達到20億～23億美元，預計將在2024年8月發射。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省開支，但是“寬視場紅外巡天望遠鏡”已經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，但目前還沒有如何利用第二個遺留望遠鏡的規劃和預算。天文學家已經開始了相關研究，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“高分辨率成像科學儀器”（HiRISE）的4倍。

2 技術方案

“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進行設計，但在該方案設計幾乎完成的時候，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，設計紅外巡天空間望遠鏡的技術方案，該新方案稱為“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡”（WFIRST-AFTA）設備。

“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡”設備結構圖

第一版技術方案

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系統，光學系統口徑1.3m，F數為15.9，光學系統工作溫度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載荷和輔助高精度導航敏感載荷2個通道。科學載荷有效視場為0.375deg2（面陣型光學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。科學載荷光機結構工作溫度為150K，焦平面探測器由36塊2K×2K（即每塊2048×2048像素數）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所設計的科學載荷可以開展超新星觀測、星系紅移測量、巡天弱目標探測等科學任務。

寬視場紅外巡天望遠鏡－1.3輔助高精度導航敏感載荷視場為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，分布在科學載荷視場兩端，每個探測像元對應瞬時視場為0.25″。輔助高精度導航敏感載荷用于觀測時對觀測指向進行高精度測量，以實現高精度指向控制。

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

第二版技術方案

“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡設備”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據下傳，提高數傳速率。但其空間熱環境和輻照環境相比L2點軌道要惡劣一些，需在熱控和輻射防護方面加強設計。“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡設備”平臺的設計必須滿足其地球同步軌道的空間運行環境，將基于在地球同步軌道運行的“太陽動力學觀測臺”（SDO）進行設計。

運行于地球同步軌道的“太陽動力學觀測臺”示意圖

載荷方面，“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡設備”主光學系統是一個同軸兩反的光學系統。基于國家偵察局望遠鏡設計，口徑為2.4m，F數為8，近軸區域總波前誤差小于60nm。次鏡位置在軌可以通過機構實現六自由度調整，以獲得最佳成像效果。整個光學系統的遮攔比約為30%。主鏡由超低膨脹玻璃（ULE）制造，采用艾塞利斯公司（Exelis）的技術進行輕量化處理，支撐結構采用殷鋼。望遠鏡系統質量約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-天體物理學聚焦望遠鏡設備”技術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。“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡設備”的科學儀器包括寬視場成像儀（WFI）和日冕觀測儀。

3 技術進展分析

從“寬視場紅外巡天望遠鏡”項目的技術發展情況，可以進一步挖掘美軍光學成像偵察衛星的技術發展。

重視高分辨率大幅寬設計

此次事件曝光了國家偵察局贈送NASA望遠鏡的部分技術指標，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，都可從技術發展上看出美國重視高分辨率、大幅寬設計。美國采用縮短焦距的方法，并很可能采用提高探測器規模的方法增大幅寬，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”的技術發展過程得以證明。

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，從而實現了較大的幅寬。其次，“寬視場紅外巡天望遠鏡”的焦平面技術與“哈勃空間望遠鏡”相比，已經先進很多。“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，將18塊4K×4K像元數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，可實現精確的對焦，使圖像焦點清晰銳利。

重視探測器技術的發展

在國家偵察局贈送NASA望遠鏡之前，已經把探測器拆除，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。“寬視場紅外巡天望遠鏡-天體物理學聚焦望遠鏡設備”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量增加了16倍，從“哈勃空間望遠鏡”的1K×1K發展到4K×4K，再通過探測器拼接技術，實現了大規模的焦平面陣列。

反射鏡材料和加工技術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定性，適于嚴酷的空間工作熱環境；采用蜂窩夾心結構，不但有利于鏡片輕量化，而且提高了鏡片的結構強度；曝光了遺留望遠鏡具有系統近軸區域總波前誤差小于60nm的指標，說明美國具有很高的反射鏡高精度加工技術。

4 啟示

從“哈勃空間望遠鏡”到“寬視場紅外巡天望遠鏡”的技術發展，從側面說明了美國高分辨率光學成像偵察衛星有效載荷向高分辨率、大幅寬發展，向具有更強的紅外成像能力發展，向具有自動對焦技術發展。大口徑反射鏡的材料技術、加工技術是保障高分辨率光學成像偵察衛星發展的重要基礎。探測器技術是國外高度重視的技術領域，尤其是紅外探測器技術，美國探測器規模和像元尺寸等技術指標已經實現了大跨度的進步，這些技術發展動向值得高度關注。