分塊式空間望遠鏡技術研究現狀及其發展趨勢

趙凱倫 孫德偉 黃巧林 田國梁 賀金平

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

空間望遠鏡一直是國際航天科技領域最具前瞻性、先導性、探索性的標志性成果。與地基望遠鏡相比，空間望遠鏡不受大氣擾動的影響[1]，而且沒有地理位置限制，因此在宇宙探索和天文觀測方面發揮著重要的作用。隨著空間光學和制造技術的發展，人們對宇宙的觀測需求不斷提高，對空間望遠鏡的分辨率要求也越來越高[2]。光學系統的角分辨率與通光口徑成反比，集光能力與口徑的平方成正比，因此增大口徑是解決“看得清”和“看得遠”的有效途徑。

大口徑空間望遠鏡能實現高分辨率和高靈敏度的天體物理觀測。研究表明，類地行星的發現速度與望遠鏡口徑的1.8 次方成正比[3]；此外，由于日冕儀可以提高成像系統對明亮源周圍微弱結構的靈敏度，針對其不同架構，望遠鏡口徑與類地行星的探測數量有如圖1 所示的函數關系[4]，這一關系也反映出“高分辨率”意味著“大口徑”。

圖1 望遠鏡口徑與類地行星探索數量的關系Fig.1 Relationship between telescope aperture and the number of Earth-like planets detected

分塊式空間望遠鏡具有發射靈活、易于加工、整體結構輕量化等優勢。面對競爭激烈的空間探索，分塊式空間光學載荷無疑是未來天基大口徑光學的重要發展方向。分塊式的概念最早可追溯到1963 年，由諾思羅普·格魯曼空間技術公司（NGST）提出[5]，首先應用于太陽能集中器和微波天線，近年來多用于光學望遠鏡，主要代表為美國航空航天局（NASA）研制的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。綜上，大口徑空間光學載荷已成為世界各國的主流發展方向，分塊式空間望遠鏡作為未來部署大口徑空間光學載荷的重要途徑，需在關鍵技術攻關和工程實踐中彌補薄弱環節，特別是針對光學層面的高精度、高穩定性操作，其成熟度需進一步升級。本文對國內外分塊式空間望遠鏡技術的研究現狀作了梳理，對可展開和在軌組裝兩條分支涉及到的關鍵技術作了分析，并由此總結出未來發展還需突破的技術難點，旨在為我國發展大口徑空間光學載荷提供借鑒和參考。

1 分塊式空間望遠鏡的國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

分塊式空間望遠鏡在部署形式上可分為可展開式和在軌組裝式兩大類，主要實現途徑是通過展開機構、機器人/機械臂將若干個分塊子鏡相互拼接，實現大口徑空間望遠鏡在軌部署。國外對分塊式望遠鏡的研究較為成熟且已實現工程化成果，其中可展開分塊光學研究方面，以JWST 為技術代表，在機構展開技術、輕量化反射鏡技術、波前檢測技術等方面積累了大量的經驗，技術基礎相對較好，但受展開形式的制約，其壓縮率有限；在軌組裝式空間望遠鏡方面不存在重要的技術障礙，而且可維護性好、設計靈活度大、對運載要求相對較低，并在后續“OPTIIX”、“EST”、“iSAT”等多個項目牽引下開展了優勢更加明顯的在軌組裝分塊光學研究。部分典型分塊式望遠鏡的詳細分析如表1 所示。

表1 分塊式空間望遠鏡部分項目信息Tab.1 Partial project information of the segmented space telescope

1.1.1 可展開空間光學望遠鏡

分塊式可展開空間光學望遠鏡是利用可展開機構將多個分塊子鏡拼接在一起，發射前處于折疊收攏狀態，在軌時展開形成大口徑空間望遠鏡，按主鏡口徑展開大小分類介紹如下。

（1）詹姆斯·韋伯空間望遠鏡

2021 年12 月25 日，由NASA 牽頭研制的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（The James Webb Space Telescope，JWST）在法屬圭亞那庫魯基地發射升空，最終到達日地拉格朗日L2 點。JWST 由18 塊邊到邊距離1.315 m 的六邊形子鏡構成，組合口徑達6.5 m，集光面積達25 m2，如圖2（左）所示；JWST 主鏡包括固定的中央子鏡和兩個旁翼子鏡，旁翼子鏡發射時向后折疊，在軌時由步進電機驅動，通過展開鉸鏈由折疊位置旋轉到展開位置，并由每側的4 個鎖緊機構鎖緊固定[6]。JWST 次鏡支撐為四連桿組成的三腳架結構，發射時向后折疊并固定于主背板，在軌時由步進電機驅動實現“解鎖-展開-鎖緊”的在軌部署，JWST 主次鏡展開過程如圖2（右）所示。

圖2 JWST 展開后的主鏡（左）和主次鏡展開過程（右）Fig.2 Primary mirror deployed（left）and the deployment sequence of JWST（right）

（2）大型紫外/可見光/紅外巡天望遠鏡

NASA 提出一種在設計上與JWST 類似的大型紫外/可見光/紅外巡天望遠鏡（The Large UV/Optic/Infrared Surveyor，LUVOIR），用于探索宇宙發展，揭示生命起源，預計2039 年發射，其包含LUVOIRA 和LUVOIR-B 兩種設計方案。

LUVOIR-A 采用同軸光學設計方案，主鏡由120 塊邊到邊距離1.223 m 的六邊形子鏡構成，組合口徑達15 m，主鏡折疊狀態下每側有兩個旁翼，以適應直徑8.4 m 的整流罩；由于LUVOIR-A 主次鏡間距超過18 m，其次鏡支撐在JWST 次鏡基礎上（包含驅動、鉸鏈和閂鎖機構）增加了額外的關節[7]，如圖3 所示。LUVOIR-B 采用離軸設計方案，主鏡包含55 塊邊到邊距離0.955 m 的六邊形子鏡，組合口徑達8 m，主鏡折疊狀態下每側有3 個旁翼，最大限度的使折疊主線趨于圓柱，以適應直徑5 m 的整流罩[8]。LUVOIR-B 由于主次鏡間距超過20 m，其次鏡支撐采用了3 塊折疊板形式的桁架結構，通過鉸鏈、電機和閂鎖機構實現展開和鎖定，如圖3 所示。

圖3 LUVOIR 巡天望遠鏡Fig.3 The Large UV/Optic/Infrared Surveyor

（3）先進大口徑空間望遠鏡

為了研究下一代天體物理學問題，NASA 規劃了先進大口徑空間望遠鏡（The Advanced Technology Large Aperture Space Telescope，ATLAST）科學實施方案，預計在2028 年前后發射。ATLAST 共包含3種設計理念，第一種為整體式，口徑為8 m，后兩種為分塊式，口徑分別為9.2 m 和16.8 m，均采用同軸光學設計方案，衍射極限在500 nm，望遠鏡組件在接近室溫下工作。

ATLAST 方案的9.2 m 主鏡包含36 塊邊到邊距離1.315 m 的六邊形子鏡，集光面積達50 m2，采用了和JWST 相同的折疊方式，其中中央條帶為18 塊固定子鏡，兩翼對稱分布9 塊子鏡，遮陽板采用4 個18 m 長的吊桿以十字形配置伸展，將薄膜展開[9]，其折疊、展開和部署狀態如圖4 所示。ATLAST 方案的16.8 m 主鏡包含36 塊邊到邊2.4 m 的六邊形子鏡，呈三環狀排列，計劃使用混合可調分塊鏡并嵌入面形驅動器，以實現共相位調整；設計上與JWST 相比最大的區別是次鏡要改為六角架支撐，以滿足>10 Hz 的間隔頻率[10]，設計概念如圖4 所示。

圖4 ATLAST 設計概念演示Fig.4 ATLAST design concept

1.1.2 在軌組裝空間光學望遠鏡

在軌組裝空間光學望遠鏡是利用機器人/機械臂將多個分塊子鏡拼接在一起，拼接子鏡可分一次或多次發射運輸，在軌拼接成大口徑空間望遠鏡，按主鏡口徑拼接大小分析如下。

（1）國際空間站上的光學測試和集成項目

NASA 提出在國際空間站上進行光學測試臺和集成試驗項目（Optical Testbed and Integration on ISS Experiment，OPTIIX），該項目采用輕量化、低成本、混合可調分塊鏡，利用機器人完成在軌組裝，依靠波前傳感與控制系統和激光束測量技術實現主動控制，確保圖像質量達到并維持在衍射極限內。

OPTIIX 有效載荷是一臺模塊化望遠鏡，每個模塊包含望遠鏡核心單元、三鏡單元、次級塔單元、萬向節單元。主鏡由6 塊邊到邊500 mm 的六邊形分塊鏡組成，拼接口徑為1.45 m，每個分塊主鏡由6 個剛體位移致動器實現分塊鏡的宏觀調整，90 個嵌入式面形致動器實現分塊鏡的微觀調整[11]，望遠鏡構成單元及分塊鏡組件如圖5 所示。

圖5 OPTIIX 望遠鏡及構成單元Fig.5 OPTIIX telescope and components

（2）現代宇宙空間望遠鏡

現代宇宙空間望遠鏡（The Modern Universe Space Telescope，MUST）是美國Ball Aerospace 公司設計的一種在靈敏度和成像分辨率上都跨越新閾值的光學紫外望遠鏡，將在日地L2 點上實現機械臂在軌組裝，拼接口徑達10 m，集光面積50 m2以上，望遠鏡采用模塊化接口設計，用于擴展未來科學任務。主次鏡組件及裝配過程如圖6 所示。

圖6 MUST 裝配示意演示Fig.6 The assembly process of MUST

MUST 主鏡采用“半剛性”的設計，包含16 個相同的分塊鏡組件，每個分塊鏡邊長約2 m，16 個分塊鏡組件分布在以計量環中心為圓心的同心圓上，每個分塊鏡組件包含分塊鏡、相位調整機構及支撐背板，其中支撐背板靠近計量環一側裝有定位銷和鎖緊結構，對側配有固定卡具，便于機械臂抓取[12]；次鏡組件包含反射鏡、調整機構和支撐結構，其中支撐結構采用折疊腿設計，裝配前折疊并固定于分配器上，在軌利用機械臂鎖定到計量環上完成在軌裝配。

（3）空間在軌組裝望遠鏡項目

2018 年5 月，NASA 對在軌組裝的價值和風險進行定量評估后，指出未來的空間望遠鏡要以機器人自主裝配技術為核心前提，并將發射系統經濟性納入考慮，由此提出一種模塊化空間在軌組裝望遠鏡項目（in-Space Assembled Telescope，iSAT），該望遠鏡未來可擴展模塊數量增大口徑，可補給維修延長壽命，可用更先進的儀器代替有效載荷。該望遠鏡共攜帶5 臺科學儀器，其中一臺為用于探索類地行星的高性能日冕儀。iSAT 望遠鏡將搭載5 m 級整流罩運載火箭，分6 次發射，以航天器總線作為組裝平臺，借助監督式自主機械臂完成在軌裝配，最終運行在日地L2 軌道。此望遠鏡采用離軸反射式光學設計，可在紫外/可見光/紅外（UVOIR）波長下工作，主鏡口徑為20 m，包含24 個單元模塊，每個單元包含7 個可調控分塊鏡組件，主鏡支撐采用一種新型三桁架結構，見圖7（a）；為保證剛度要求，每個分塊鏡組件結構類似于夾層板設計，包含頂層、底層以及中心三角形。為便于模塊組裝，在節點位置增加了多螺母設計，針對三節點連接的模塊接口，使用松脫螺栓預加載進行模塊連接[13]，如圖7（b）所示。

圖7 iSAT 望遠鏡Fig.7 in-Space Assembled Telescope

1.2 國內研究現狀

國內相關機構對分塊光學載荷進行了一系列理論研究、初步設計以及試驗驗證，如主鏡分塊方式、定位支撐方式、可展開結構機構設計、形狀記憶復合材料的釋放機構研制以及關鍵技術驗證等，相應的科研成果已成功應用于科研任務中，但主要集中于可展開光學載荷方面；在軌組裝方面，尚處于起步階段，多集中于理論研究，且以跟蹤性研究為主，現階段已開展了地面原理樣機研制，用于攻關機器人在軌裝配技術，并有望于今后5~10 年成功研制10 m 級空間望遠鏡，總的來看，與國外還有不小差距。

1.2.1 可展開方面

北京空間機電研究所陳曉麗等[14]對主鏡分塊的影響因素作了分析，提出了主鏡分塊的原則，并給出采用8 塊扇形分塊鏡上下交錯收攏，收攏直徑小于2.8 m 的4 m 主鏡分塊方案，之后又提出了展開、定位和鎖緊分開的精密展開機構方案，并通過縮比模型進行實驗驗證，得出展開機構的重復展開精度可達到0.05 mm 的實驗結果[15]；哈爾濱工業大學冷勁松團隊[16]在基于形狀記憶聚合物復合材料的釋放機構研制方面做了大量研究，設計了彎曲構型的結構鎖定機構并實現了工程化應用，同時針對展開同步性實現了進一步優化改進；梁論飛等[17]設計了一種空間望遠鏡展開機構地面實驗系統，用于測試拼接主鏡展開機構的重復定位精度，實驗結果表明該系統可有效實現主鏡機構的展開和收攏，且重復位移定位精度小于0.05 mm，姿態角度小于0.02°；吳松航等[18]對拼接主鏡的主動定位技術、主動支撐技術和主動拼接技術作了總結分析，并從比剛度、可替換性、支撐材料屬性及輸出穩定性方面給出建議；中國科學院西安光學精密機械研究所胡斌等[19]針對可展開空間望遠鏡光機結構和熱控方面涉及到的關鍵技術作了闡述，并對分塊可展開對地觀測望遠鏡和光軸方向可展開微納衛星光學望遠鏡的研究現狀作了分析；中國科學院西安光學精密機械研究所李旭鵬等[20]對大口徑空間主反射鏡拼接化結構技術作了分析，對所涉及的關鍵技術進行了歸納，總結了拼接化結構設計在拼接精度和面形精度兩方面研究難點。

1.2.2 在軌組裝方面

長春光學精密機械與物理研究所許博謙等[21]針對下一代10 m 級大口徑空間望遠鏡的解決方案，給出了在軌組裝望遠鏡技術的頂層設計思考，包含光學設計、分塊主鏡布局、模塊化結構設計、在軌組裝對接方法等方面，并預見了形如空間站的載人空間對未來在軌組裝空間望遠鏡的重要作用。

哈爾濱工業大學蔣再男等[22]提出了一種10 m 口徑的模塊化望遠鏡設計概念，該望遠鏡計劃使用具有環形移動底座和冗余可拉伸機械手的機器人進行組裝，并在地面進行初步驗證。望遠鏡采用同軸反射式光學設計，包含資源模塊、主鏡模塊、次鏡模塊及次鏡支撐模塊，體積包絡約為直徑14.6 m×20 m。主鏡包含60 個分塊鏡模塊，模塊組件分多次發射到達目標軌道。為滿足輕量化和熱穩定性要求，光學結構選用碳化硅材料，機械結構選用碳纖維復合材料和碳化硅鋁基復合材料，望遠鏡概念如圖8 所示。

圖8 10 m 口徑望遠鏡概念Fig.8 Concept of a 10-meter aperture telescope

北京空間機電研究所開展了在軌組裝望遠鏡的原理樣機研制，用于驗證波前傳感與控制、機器人裝配精度等關鍵技術；使用機械人智能精密裝配系統完成分塊主鏡的裝配，地面可實現裝配測量精度優于0.1 mm，有望使機器人在軌實現分塊鏡的精確裝配，機器人地面裝配過程如圖9 所示。

圖9 機械人智能精密裝配示意Fig.9 Sketch map of robot intelligent precidion assembly

此外，長春光學精密機械與物理研究所與俄羅斯科學院天文研究所[23]聯合提出了一種集模塊化設計、制造、裝配于一體的紫外/紅外空間望遠鏡設計概念，該望遠鏡攜帶了光譜范圍115~1 100 nm 的軌道光譜儀，其空間分辨率至少0.1″，計劃使用兩個六自由度機器人在空間站附近的低軌道組裝，日地L2 點運行，有望解決恒星動力學、星際環境光譜等多物理問題。主鏡由36 個六邊形模塊組成，拼接口徑為10 m，集光面積達61.1 m2，主動控制由波前測量和控制系統完成，以達到納米級精度的相位要求。次鏡支撐采用折疊桁架設計，以適應整流罩包絡尺寸。望遠鏡模塊可采用俄羅斯超重型火箭一次發射或長征火箭（CZ-5B）三次發射，如圖10 所示。

圖10 OAST 望遠鏡發射狀態與組裝完成狀態示意Fig.10 Schematic diagram of OAST launch status and assembly completion status

2 分塊式空間望遠鏡的關鍵技術

當前分塊式空間望遠鏡口徑正向著10 m 量級發展，未來甚至有望向100 m 量級邁進，從宏觀層面看，如此尺度的空間構架要突破整流罩的包絡限制，需要高精度機構展開技術的強力支撐，在軌組裝則要依靠機器人智能裝配技術實現分塊望遠鏡在軌建造；從微觀層面看，波前檢測與調控技術、超輕可調分塊鏡技術是分塊鏡實現在軌調整，穩定成像的技術保障，即在保證主鏡面形精度的同時，實現大口徑空間望遠鏡在軌部署，分塊式空間望遠鏡技術實現路線如圖11 所示。

圖11 分塊式空間望遠鏡技術實現路線Fig.11 Technology roadmap of the segmented space telescope

2.1 高精度機構展開技術

分塊式空間望遠鏡的機構展開技術涉及運動學、摩擦學、材料學等多學科領域。傳統展開機構中的鉸鏈會存在空行程、變剛度及滯后性等非線性特性，這些特性響應將作為直接輸入，影響主鏡展開機構的重復定位精度和穩定性，導致分塊子鏡的調整系統變得更為復雜。當前的展開機構，以JWST 主鏡展開機構為代表，鉸鏈銷軸采用間隙配合的連接，鎖定后銷軸可以脫離載荷路徑；鎖定裝置采用球面與平面配合的方式，使得接觸區域為點接觸，從而具有較好的重復展開精度和微動力穩定性，以滿足空間環境所需的振動抑制能力[24]。針對可展開式空間望遠鏡，為滿足機構所需的展開精度，可在充氣式架臂、可展開桁架結構以及形狀記憶復合材料等展開技術方面實現突破。機構展開相關技術見表2。

表2 機構展開相關技術Tab.2 Mechanism deployment related technology

2.2 機器人智能裝配技術

面對未來多復雜、高精度的大口徑分塊望遠鏡，航天員手動裝配已無法滿足裝配任務，使用機器人/機械臂裝配具有經濟性好、操作性強、可靠性高等優點。由于發射質量限制及大口徑光學載荷裝配需求，機器人設計要進一步輕質化；對精度要求較高的分塊鏡執行抓取、搬運和固定等操作，其末端執行器應具備精細力觸融合的操作能力；對于復雜狀況的空間裝配，在視覺條件較差的情況下，裝配時可能會出現分塊鏡之間的相互碰撞，機器人應具備多源融合的感知和測量能力，同時應開發柔性體機械臂的操作能力，以保證毫米級裝配精度；對于大型結構的在軌裝配，可能會采取分布式多機器人或多臂協同操作的工作模式。針對在軌組裝空間望遠鏡，為實現在軌高精度、高穩定性操作，需要智能化的機器人/機械臂系統，機器人/機械臂相關技術見表3。

表3 機器人/機械臂相關技術Tab.3 Robot and robotic arms related technology

2.3 波前檢測與調控技術

分塊式空間望遠鏡在軌展開/組裝完成后，由于展開機構和機器人裝配誤差的存在，分塊鏡之間會有拼接誤差，這將導致光學系統出瞳處子波面沿光軸方向錯位，使出瞳處不再是一個理想的平面波，直接影響成像質量，因此需要對拼接主鏡進行共相位檢測，利用分塊鏡背部的致動器，對其Piston/Tip-tilt 誤差進行校正，使拼接主鏡由毫米級裝配精度調整到λ/30（均方根）的光學成像精度。分塊望遠鏡的共相位檢測方法及波前檢測與調控技術路線如表4 及圖12 所示。

表4 共相位檢測方法Tab.4 Co-phase detection method

圖12 波前檢測與調控技術路線Fig.12 The technical route of wavefront sensing and control

2.4 超輕可調分塊鏡技術

分塊式望遠鏡口徑不斷增大，這要求分塊鏡需進行超輕量化設計，而輕量化主要體現在反射鏡面密度上，比如在SiC 基底上（面板支撐結構）濺射多層金屬箔，形成納米復合面板，使反射鏡面密度逐步輕量化。分塊鏡調整從單自由度逐步發展到六自由度，分塊形式以正六邊形為主，因六邊形具有中心對稱性、機械結構穩定性強且填充率高、擴展性好、調控能力強，比如JWST 所用鈹分塊鏡，背部使用了7 個低溫納米致動器，其中中心致動器用于曲率調整，其余6 個負責位姿調整，該致動器可在21 mm 的有效行程內實現7 nm 的輸出精度[27]，進而實現分塊鏡的位姿和曲率的精細調整。相比于JWST 紅外譜段而言，可見光譜段的分塊鏡調整需要分辨率更高的致動器。美國噴氣推進實驗室指出下一代大口徑望遠鏡關鍵技術中計劃采用混合可調反射鏡技術（Actuated Hybrid Mirrors）[28]，比如在SiC 基體上植入固態驅動器或在ULE 面板上增加力驅動器，利用納米致動器、曲率調整技術實現分塊鏡調控，該技術不僅滿足上行發射力學環境，也具備足夠的面形校正能力。AHM 反射鏡組成如圖13 所示。

圖13 AHM 反射鏡組成Fig.13 Components of Actuated Hybrid Mirror

對于可展開和在軌組裝望遠鏡，分塊鏡都必須具備主動調控能力，宏觀上涉及到多種調整機構，微觀上主要以驅動技術實現，相關詳細技術如表5 所示。

表5 分塊鏡調控相關技術Tab.5 Segmented-mirror control related technology

3 分塊式空間望遠鏡未來技術發展與展望

大口徑空間光學載荷已成為世界各國的主流發展方向。從總的趨勢來看，采用整體式建造的望遠鏡口徑極限在8~10 m 以內，采用分塊展開式建造的望遠鏡其口徑極限為20 m 左右，采用在軌組裝式建造的望遠鏡不受口徑制約，可廣泛用于10~100 m 甚至更大尺寸的空間光學望遠鏡。伴隨著未來技術發展趨勢，大口徑空間光學望遠鏡還應在以下方面實現技術突破。

1）針對高精度展開機構方面，需在大型光機結構超高穩定性技術上實現突破，在適應空間熱穩定性要求的同時，具備高效微振動抑制能力，以滿足大口徑望遠鏡成像超穩要求；

2）針對機器人/機械臂智能組裝方面，需在基于融合感知高精密自主裝配技術上實現突破，面對大范圍的裝配作業，機器人/機械臂應具備全局感知能力，并借助于多源數據融合實現高效率在軌裝配；

3）針對波前檢測與調控技術方面，需在波前檢測與智能調控技術上實現突破，面對不斷增大的望遠鏡系統，應借助于智能深度學習建立波前多數據關系，實現分塊鏡高效率快速調控；

4）針對超輕可調控分塊鏡技術方面，需在分塊鏡模塊準無應力支撐技術上實現突破，基于六自由度調控技術實現分塊鏡高精度調控。

面向未來遠景目標，分塊式空間望遠鏡還應在高精度全鏡面精確對接與鎖定技術、分塊鏡模塊化構型與在軌變構技術、空間望遠鏡大型結構在軌增材制造技術等方面實現有益增值。

4 結束語

分塊式空間望遠鏡是未來部署大口徑空間光學載荷的重要途徑，在工程化需求的強力牽引下，未來的空間望遠鏡系統勢必會向著10 m 甚至100 m 量級邁進。本文對分塊式空間望遠鏡技術發展現狀進行了梳理，對涉及到的關鍵技術進行了分析，明確了分塊式空間望遠鏡未來發展的技術難點。通過對可展開和在軌組裝實現技術的總結，希望對今后的科學研究和技術路線規劃提供有益參考。