轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜_李保权.pdf

526671-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V轻量化大面积嵌套聚焦型 X射线望远镜李保权1，2，*，李海涛1，2，曹阳1，桑鹏1，刘亚宁1，余道淳1，21中国科学院 国家空间科学中心，北京1001902中国科学院大学，北京100049摘 要：嵌套聚焦型 X射线望远镜在脉冲星自主导航、X射线天文学等领域有广泛的应用需求。论文开展了紧凑型、大面积、嵌套聚焦型 X 射线望远镜的光学优化设计，成功探索出基于轻质平面玻璃的 X 射线掠入射反射镜热成型、镜面精密切割、嵌套同轴共焦装配等工艺流程，研制了一款轻量化、大面积、嵌套聚焦型 X射线望远镜（NFXT）。NFXT 镜面轴向长度 300 mm，厚度 0.3 mm，镜面溅射 Ir金属膜，膜层厚度 300 nm，镜面粗糙度优于 0.3 nm（rms）。NFXT 共计 11层嵌套，每层圆周向等分 3 个扇区，内 8 层镜面为近似抛物面的锥形镜，外 3 层为抛物面镜，11 层镜面同轴共焦装配。NFXT 净几何面积 175 cm2，有效探测面积 130 cm21.5 keV，轴上视场聚焦光斑半径 0.85 mm（EoE=50%），包络尺寸（直径高度）为 200 mm326 mm，能谱响应范围 0.212 keV，后工作距 1300 mm，重量 4.25 kg。NFXT 技术突破，为国内开展脉冲星导航试验验证，以及研制先进的 X射线天文卫星提供关键技术支撑。关键词：脉冲星导航；嵌套聚焦型 X射线望远镜；掠入射抛物面镜；X射线聚焦；X射线天文卫星中图分类号：V448.2 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526671-10基于脉冲星的航天器自主导航技术具有重要的工程应用价值和战略意义，备受国际航天界和学术界的关注，相关的理论研究和在轨试验验证一直在持续推进1-2。美国先后利用“先进研究和 全 球 观 测 卫 星（Advanced Research and Global Observation Satellite，ARGOS）”上 的“非常规恒星定位探测器（Unconventional Stellar Aspect，USA）”和国际空间站上“中子星内部构成探测器（Neutron Star Interior Composition Explorer，NICER）”开展了脉冲星导航在轨试验 3-4。2018 年美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）公开的资料显示，基于 NICER 开展的脉冲星导航试验在轨定位精度达到 10 km 以内4，验证了脉冲星导航的可行性。2016 年中国也发射了由中国空间技术研究院研制的“脉冲星导航试验卫星（X-ray Pulsar-based Navigation-1，XPNAV-1）”。XPNAV-1 是中国首颗专门致力于脉冲星导航技术的试验验证卫星，现在轨工作超 5年，积累了大量数据，中国学者基于该星数据开展了脉冲星导航试验相关研究5-11。X 射线望远镜是脉冲星导航系统的核心设备，其灵敏度和时间标记精度决定了整个导航系统的精度。由于脉冲星的 X 射线辐射强度较弱，高灵敏度依赖大探测面积实现。受技术手段制约，早期 X 射线天文卫星上多采用气体探测器来http:/ 引用格式：李保权，李海涛，曹阳，等.轻量化大面积嵌套聚焦型 X射线望远镜 J.航空学报，2023，44（3）：526671.LI B Q，LI H T，CAO Y，et al.Nested focusing X-ray telescope with lightweight and large photon collecting areaJ.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526671（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.26671收稿日期：2021-11-17；退修日期：2021-12-27；录用日期：2022-03-08；网络出版时间：2022-05-1109：57网络出版地址：https：/ 家 重 点 研 发 计 划（2017YFB0503300）；国 家 自 然 科 学 基 金（41604152，U1938111）；中 国 科 学 院 青 年 创 新 促 进 会（2018178）*通信作者E-mail：航空学报526671-2实现大探测面积，例如天文-C 卫星（Astronomy C satellite，Astro-C，发射后改称为 Ginga）12、罗 希 X 射 线 时 变 探 测 器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）13、ARGOS 卫星3等。气体探测器有其本身优势：填充因子小、容易实现大面积，而且成本较低，但缺点也比较明显：背景干扰大，探测效率低，能量分辨差，在轨可靠性低。尤其在轨可靠性问题，是制约气体探测器在空间应用的最大障碍。RXTE 卫星气体探测器的 2个单元在 2000-05-12 和 2006-12-25 发生破损，导致反符合层功能丧失14。2000-11-16，ARGOS卫星 2套气体探测器单元发生泄漏导致探测器失效3。随着技术进步，以及天文卫星对探测性能可靠性要求提升，气体探测器在空间的应用正逐渐被淘汰，聚焦型 X 射线望远镜正成为天体 X 射线卫星的首选。聚焦型 X 射线望远镜由光学聚焦系统和 X 射线探测器组成，常规的掠入射 X 射线聚焦系统包括 K-B 镜、龙虾眼、Wolter-I 型等结构形式，Wolter-I型望远镜在天体 X 射线成像领域被广泛采用15-16，该结构便于通过嵌套的方式实现大探测面积，同时还能实现高分辨成像。Wolter-I型望远镜的信噪比、灵敏度相比早期天文卫星上的 X 射线气体探测器有数量级的增长。但受工艺手段限制，Wolter-I型光学系统一直面临研制周期长、难度大、成本高、质量重等制约因素。例如 1999 年发射的“钱德拉 X 射线天文台（Chandra X-ray Observatory，CXO）”，其上的 X射线望远镜光学系统采用 4 层 Wolter-I 型嵌套，镜面直径分别为 0.65、0.87、0.99、1.23 m，几何面积 1 145 cm2。聚焦镜面采用微晶玻璃整体加工和研磨抛光，单位面积的重量高达 18 000 kg/m2（1keV），研制经费高达 98亿美元/m2 17。随着电铸镍工艺的进步，X射线聚焦镜在几何面积、轻量化方面取得显著进步。采用电镀镍镜面的XMM-Newton卫星 Wolter-I望远镜嵌 套 58 层，有 效 面 积 1 430 cm21.5 keV。聚焦系统单位面积的重量降到3 200 kg/m2，研制费用约3.6亿美元/m2 17。2000 年以来，随着中国空间科学发展以及脉冲星导航研究的需求，中国科学院国家空间科学中心、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、苏州大学、北京控制工程研究所、哈尔滨工业大学、同济大学等多家单位开展了基于微晶玻璃加工、电铸镍复制、平面玻璃热成型等掠入射聚焦反射镜的工艺探索和 X 射线望远镜的研 制，推 进 了 中 国 在 空 间 X 射 线 探 测 领 域 的发展17-23。长期以来，基于电铸镍工艺24-27的掠入射嵌套聚焦系统在国际上占据主导地位，但随着新材料、新工艺的出现，更为轻量化、低成本的研制技术正呈现替代趋势28-29。2012 年发射的“核光谱望 远 镜 阵 列 卫 星（Nuclear Spectroscopic Telescope Array，NuSTAR）”突破了一种更为轻量化、低成本的平面玻璃热成型工艺30。NuSTAR成像光学系统采用 Wolter-I型结构，嵌套 133层镜面，单镜头总重量 37 kg，轴上视场最大有效面积约 500 cm210keV，单位面积质量约 740 kg/m2。相比传统的电铸镍金属镜面重量显著降低，研制费 用 大 幅 度 降 到 了 约 8 千 万 美 元/m2 31。NuSTAR 聚焦光学系统选用肖特公司 D263 平面玻璃，精密切割成近似抛物面型尺寸的“梯形”结构，再置于熔石英模具之上，然后通过高温加热重力塌陷变形的方式，使得平面玻璃在模具上成型为圆柱形。镜头装配时，精修镜面间石墨支撑条轴向面型，使其与设计的锥面镜面型误差控制在 1 m 以内。将成型后圆柱形镜面放置在支撑条上，通过工装上的径向压板在压力作用下使柱面镜与支撑条紧密贴合。待支撑条与镜面间粘结胶固化后，柱面镜就在应力作用下成型为需要的锥形镜。由于 NuSTAR 热成型的聚焦镜面是柱面镜而非锥形镜，所以嵌套装配时还需要对镜面进行二次塑型，这导致装配工艺十分复杂，需要配备在线加工设备和精密的在线检测设备。受工装、在线加工检测等辅助设备的体积和定位影响，NuSTAR 二次成型粘结胶只能在常温下固化，单片镜面的固化时间至少需要 8 h。文献资料显示，装配一套完整的NuSTAR镜头需要3 month以上30，所以 NuSTAR 镜面研制工艺效率较低，但 NuSTAR 为研制轻量化的 X 射线聚焦系统提供了一种新技术路线。笔者所在团队在基于 Wolter-I 型 X 射线成像望远镜研制技术的基础上，2014年联合相关单位开始研制基于平面玻璃热成型的轻量化嵌套航空学报526671-3聚焦型 X 射线望远镜，探索出不同于 NuSTAR的新一代曲面镜高精度成型工艺，2015年研制完成 4套大面积、轻量化、嵌套聚焦型 X 射线望远镜（Nested Focusing X-ray Telescope，NFXT）。基于轻质平面玻璃直接热成型曲面镜的工艺突破，可以为国内开展脉冲星导航试验验证，以及研 制 先 进 的 X 射 线 天 文 卫 星 提 供 关 键 技 术支撑。1掠入射嵌套聚焦望远镜光学设计NFXT 采用了类似于 NICER 的抛物面一次反射聚焦结构32-33。由于掠入射抛物面镜是环带收光，单个抛物面镜的几何收集面积太小。为了满足脉冲星弱辐射的探测需要，需要多个抛物面镜共焦嵌套来扩大收集面积，如图 1 所示。嵌套聚焦望远镜光学设计需要兼顾嵌套曲面镜高反射率、大口径、小包络的优化原则。X射线全反射临界角是掠入射嵌套镜面设计的最核心输入参数，其决定了最外层抛物面镜口径和后工作距。综合权衡 X 射线脉冲星导航使用的能段，以及航天器能够接受的体积约束，最终确定最外层镜面最 大 掠 入 射 角 为 1.58，最 内 层 最 大 掠 入 射 角0.626，后 工 作 距 1 300 mm，镜 面 轴 向 长 度300 mm，嵌套镜面最大直径 177.3 mm（最外层入口端），嵌套镜面最小直径 57.6 mm（最内层出口端）。表 1列出了最终优化后的 11层共焦嵌套的抛物面方程参数和选取的镜面数学参数。其中，P 为焦准距，即抛物线焦点到准线的距离；y为坐标差距，即入射右端点 y坐标出射右端点 y坐标。最内层的镜面序号 i=11，最外层的镜面序号 i=1。嵌套聚焦光学结构最小的环带宽度3.09 mm，外层的最大环带宽度 8.65 mm。最大环带和最小环带的遮拦比约 90%，根据以往研制Wolter-I 型太阳 X 射线成像望远镜的经验，90%的遮拦比可以用可见光平行光管检测各层的装配效果。考虑到旋转抛物面镜模具的加工难度，为了降低嵌套聚焦光学系统的研制成本，最终采用锥形镜面与旋转抛物面镜相结合的光学结构。经过仿真优化，内 8层采用锥形镜面，外 3层采用抛物面表 1嵌套抛物面聚焦望远镜光学参数Table 1Optical parameters of nested parabolic focusing mirrors镜面序号i1234567891011P参数/cm0.243 140