锐利之眼
来源:用户上传
作者: 肖昊江
莫斯科时间2008年7月26日22时31分(北京时间27日2时31分)普列谢茨克发射场，“联盟”2-Ib火箭将一颗编号“宇宙”2441的光电侦察卫星送入太阳同步轨道，这是俄罗斯近年来发射的第一颗新一代光电侦察卫星。由于涉及到俄罗斯侦察卫星的最高机密，因此有关这颗卫星的资料无论俄方还是西方均无详细报道，本文仅从有限的信息当中推测一下这颗卫星的技术特点。
首先，媒体报道中最引人瞩目的一点是：“宇宙”2441卫星使用了类似“阿肯”1的光学系统。为了分析该卫星的光学系统，就要先介绍一下“阿肯”1卫星的背景。需要说明的是，“阿肯”(ARKON)实际上不是俄文的原音，而是俄文简写，是拉沃奇金设计局1990年提出的民用遥感卫星的代号。而“阿肯”1实际上是前苏联上世纪80年代研制的第八代侦察卫星计划：ARAKS计划(代号为11f664，设计局代号“特工”)的民用版。应当说先有军用的“特工”，后有民用的“阿肯”1。
对于“特工”或“阿肯”卫星的光学系统，目前没有俄方公开的权威资料。不过根据国内编纂的“卫星侦查参考资料”以及相关报告，还有拉沃奇金联合体的有限资料可以大致看出，
“特工”／“阿肯”卫星的光学系统构成属于折反式卡塞格伦光学系统，这与之前俄罗斯的“琥珀类”光学侦查卫星采用小孔径折射系统明显不同。一般来说，折射式系统易于安装调试和检测且成像质量高，但是随着孔径的加大，需要采用复杂的系统来消除相差。另外，折射系统的重量通常较大。例如“琥珀类”卫星的小孔径折射镜头就重达700～1000公斤(焦距5～6米)。相比而言，反射式系统没有相差、镜头可向大尺寸发展、采用碳化硅或铍反射镜可以大幅度减轻重量，因此焦距15米以上的光学系统均采用反射式系统。由此判断，像“特工”／“阿肯”这类的大孔径长焦距系统采用反射式或折反式光学系统是合理的选择。
根据“阿肯”I卫星在2120公里的高度全色分辨率为2米(军用“特工”卫星的分辨率更高，估计同样高度下可达1米)和其光学系统是一种折反式卡塞格伦系统这些重要线索表明：光学部分有一块表面呈抛物面曲率的主镜，在主镜前面有一块表面呈双曲面曲率的副镜。副镜接收从主镜反射回来的光，再将其经由主镜的中心孔反射到位于主镜后面不远处的焦面上。此外，要想保证光学系统结构紧凑以便能安装在估计长度11米的卫星内，折反式卡塞格伦望远镜的有效焦距必须短于标称的27米。这就需要在系统设计中加一个焦距延长器(由一组透镜构成，在主镜之后)，以提供附加的焦距。根据爱里斑直径计算公式并考虑到副镜的中心遮蔽所造成的衍射影响，要在2120公里高度实现全色2米分辨率需要1.8米的光学孔径，考虑到加工误差，孔径则要达到2米以上。可以看出这是一个非常大的光学系统。再加上为获得高分辨率所必须的温控系统和轨道机动所需燃料的重量，就无怪乎第一颗“阿肯”卫星使用质子火箭发射。不过根据两颗已经发射的“宇宙”2344／2392来看，这种卫星的性能还不稳定，均未达寿命期就报废了。
从以上对“阿肯”卫星的介绍可以看出，新一代“宇宙”2441如果采用类似光学系统的话，在770公里太阳同步轨道上的分辨率可达0.2～0.3米。事实上，从目前获得的关于“宇宙”2441卫星分辨率描述的报道上看，其分辨率大概在1英尺左右(约0.3米)。这也印证了其采用类似“阿肯”卫星光学系统的报道，当然在影响分辨率的诸多因素中，CCD像元尺寸也是一个重要因素。大孔径长焦距光学系统一般采用轻量化的碳化硅或铍反射镜，“特工”和“宇宙”2441也不例外。事实上俄罗斯早已在碳化硅和铍镜方面进行了大量研究，对于镜胚材料、镀膜、表面处理等方面均有成熟的工艺，已经具备加工直径1.2米反射镜的能力。有一点值得注意的是，像美、俄这种大孔径侦查卫星的主反射镜一般采用分瓣制造再组合的方式，因为一次成型直径2米以上的超高精度单镜片是非常复杂的。另外，光学自适应技术的使用也要求主镜面分成多个可控的较小镜片。这样看来，“宇宙”2441的镜头直径如果大于1.5米，则采用分瓣制造将是趋势。
对于“宇宙”2441的光学系统结构有一点尚未弄清，那就是其采用的是共轴还是离轴全反射系统，以及相对于“特工”／“阿肯”的光学系统，其改进之处如何?共轴全反射系统的光路中间有遮拦，会影响分辨率，采用离轴全反射系统则没有这个问题，但是加工检测复杂。目前尚不知道“宇宙”2441卫星是否采用离轴结构。根据新闻报道，这颗卫星使用的是“资源”DKI卫星平台。从“资源”DKI的平台结构以及目前的推测图来看，应当是共轴／拟共轴系统。前面曾经提到“宇宙”2441的光学系统类似“特工”／“阿肯”的光学系统，但是有不同(或是说有改进)。根据Wikipedia的信息显示，“宇宙”2441的光学系统可能是一款长焦距的三反式／二级光学系统，而“特工”／“阿肯”卫星采用折反式光学系统。“特工”／“阿肯”卫星的折反式光学系统在主镜之后是一组透镜构成的焦距延长器，而“宇宙”2441卫星的光学系统在主镜之后是场镜和二级校正镜。“宇宙”2441卫星采用三反式长焦距系统，并采用了类似“哈勃”望远镜的二级光学系统。
二级光学的基本思想是将系统分两级成像，第一级保证得到大的相对孔径，其像质一般；第二级主要是校正第一级的成像质量，可使用主动和被动校正元件。两级之间是采用大的场镜把主镜的像成到校正元件上。二级光学的优点是：可保证主镜尺寸较大，但其面形要求不高，使其加工装调难度降低，成本下降；像质校正采用第二级较小尺寸的元件来做，减小了校正难度；校正器的自适应模型和程序在地面事先做好，在空间只须保证两级间几何位置；利用附加反射镜可扩大视场；用反射校正器可很方便的在红外谱段进行调制；具有中间像可遮光罩和消杂光光栏简化。以上分析是对“宇宙”2441采用的改进型光学系统的推测，当然这有待于进一步消息的核实。
其次，新闻报道中还提到此次发射由新型的“联盟”2-1b火箭完成。“联盟”2-1b火箭在普列谢茨克发射时的运载能力为7.48吨，这意味着“宇宙”2441的重量在5吨左右，与以前的“宇宙”2344相差明显，也与“宇宙”2392相比轻了一些。重量减轻的原因可能是由于技术进步导致的，当然也可能是其功能较“特工”卫星明显的简化。另外，比较特殊的是这颗卫星是被发射到太阳同步轨道上的，而以前苏俄的光学侦查卫星一般采用轨道较低的极地轨道。
最后分析一下“宇宙”2441所采用的CCD像元尺寸。CCD技术是光电成像卫星的核心技术之一，但是由于前苏联
在光电子领域落后于西方，因此在80年代后期才发射了数字成像卫星。前苏联研制数字成像卫星的关键也是CCD器件的研制，大约花了10年时间攻克这个难关。根据相关报告介绍，苏联解体后不久，俄罗斯就已经完成或正在研制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阵列。最近几年俄罗斯的CCD技术也有了不小的进步，目前从事CCD技术研究的单位有许多家，其中比较有名的是：奥里昂联合体电子中央科技研究所、电子-光导研究所、旋风中央科技研究所、西伯利亚半导体物理研究所、国家光学研究所、国家应用光学研究所、极地研究所等国有科研单位。也有苏联解体以后涌现出来的企业，例如焦平面工艺技术公司等等。其中，“资源”DK1卫星所使用的CCD阵列是电子-光导研究所(现成立了ELAR公司)研制的ELCT1080v1U。
根据“宇宙”2441卫星所要求的分辨率来看，其采用的CCD像元尺寸在6～9微米左右，当然这是指可见光波长范围内。这要说明一下CCD像元尺寸对于卫星分辨率的影响，除了大气扰动以外，光学系统和感光器件的尺寸对分辨率均有重要影响，而且是相互作用的。光学系统的分辨率一般是根据瑞利规则：分辨率=最小分辨角×轨道高度，最小分辨角≈0.61×波长／有效孔径。根据这个公式，“阿肯”在2120公里高度时的光学系统极限分辨率是0.36米，而实际上军用的“特工”卫星也达不到这样高的分辨率。因此，问题不是出在光学系统上，而是另有原因。从焦距、像元尺寸和轨道高度看，地面分辨率存在一个简单关系：地面分辨率=像元尺寸×轨道高度／焦距，根据这个公式，按照“特工”卫星CCD像元尺寸13微米计算，其在2120公里高度的分辨率为1.02米，这跟对“特工”卫星的分辨率推测是一致的。如果将“特工”卫星的高度降低到770公里，则其分辨率为0.36米，这与对“宇宙”2441分辨率的推测基本一致。如果反推回去，根据0.3米的分辨率和750公里的轨道高度并以像元尺寸为9微米为基准，则“宇宙”2441卫星的焦距至少是20米。当然，由于技术进步使得“宇宙”2441卫星的长度和光学系统总长度比“阿肯”，“特工”卫星有所减小并简化了一些复杂功能，因此其重量也就进一步减小到5吨左右。由于俄罗斯在光电器件上与西方存在差距，“宇宙”2441的CCD阵列可能像“阿肯”卫星一样是不同波段的CCD阵列拼接而成的，覆盖8个或更多波段。
综上推测，“宇宙”2441作为俄罗斯新一代数字成像侦察卫星，在体积、重量、寿命、光学系统和CCD器件上展现了一些新的特征，是其近几年技术进步的集中体现。而且从分辨率来看，“宇宙”2441更是接近了美国的最高级别技术水准。
(编辑 一翔)
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1051588.htm
