空间望远镜的热设计和热光学分析综述

　　1前言

　　热设计和热光学分析是空间望远镜的关键技术之一。国外空间望远镜通常以望远镜本体为主结构,主镜、准直镜、镜筒或桁架结构直接暴露在复杂多变的空间热环境中,这就不可避免地会产生较大的温度变化。

　　高分辨率空间望远镜要求达到或接近衍射极限,对温度变化非常敏感。一方面,主结构和光学元件的温度波动和温度梯度使望远镜光学系统的光学间隔发生变化,光学主轴发生倾斜;另一方面,光学元件内部的温度波动和温度梯度使光学元件的面形发生变化,透镜内的温度变化还将引起折射率的改变。

　　对于大口径、达到光学衍射极限的光学系统来说,微小的温度梯度都会对成像质量产生影响。从光学设计的角度,很难在如此高的精度上对热设计直接提出准确合理的温度要求。国外几种高分辨率空间望远镜都是采用均方根波像差(RMS值)来进行总体误差分配的,通常分配给热控系统的误差在数值上占总误差的一半左右,约λ/20~λ/40。而传统的卫星热设计的基础是温度要求,相应的设计准则和检验方法均以温度要求为依据,这样在使用以温度为最终指标的卫星热设计方法处理高分辨率空间望远镜或空间相机热设计时就会遇到困难。

　　国外空间望远镜通常以望远镜主体作为卫星主结构,卫星热控制与主载荷—空间太阳望远镜的热控制合二为一。美、欧等航天科技大国在这方面已经拥有了成熟的设计概念和理论,成功地将卫星热控制技术与光学理论结合在一起,形成了一整套基于热光学设计的方法和试验手段。美国早在20世纪70年代,就开始采用热光学设计(Thermal_optical de-sign)或热光学分析(Thermal_optical analysis)的方法,对高分辨率光学窗口和大口径空间望远镜进行热设计,并采用波前探测器(Wavefront sensor)实时测量光学元件的波面变化的情况。俄罗斯莫斯科空间研究所设计的热光学试验装置,在真空罐中实时检测带有真实温度梯度的主镜光学面形变化。

　　所谓热光学分析或热光学设计,就是直接采用光学(例如RMS均方根波像差)指标,对高分辨空间望远镜或空间相机的热设计进行评价和优化。在热光学分析过程中,温度数据仅仅是一种中间变量和设计结果,不作为热设计的最终指标。中国首次采用热光学分析的方法对详查相机光学窗口和外遮光罩进行了热设计,得到了满意的结果,并与美国天空实验室光学窗口的热光学分析结果相吻合。后来又完成了空间太阳望远镜(SST)的热设计和热光学分析。

　　2美国哈勃空间望远镜

　　2.1哈勃空间望远镜概述

　　哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)于1990年5月由发现号航天飞机发射升空,总质量为11 t,长度超过13 m,主体直径约为4.3 m。再加上展开的太阳能电池帆板,横向宽度可达12 m。哈勃空间望远镜是一个口径为2.4 m、相对孔径为f/ 24的Ritchey_Chretien的卡塞格林系统,在可见光范围,空间分辨率为0.1″。望远镜的主镜和次镜镀铝膜和氟化镁膜,可以对波长115 nm(紫外)~1 mm(微波)之间的光线聚焦。哈勃空间望远镜的轨道倾角为28.5°,轨道高度为398~593 km,轨道面与太阳光夹角在±52°之间变化,地影时间为26~36 min。哈勃空间望远镜的构型和布局如图1所示。