设计并验证 NASA 南希·格雷斯·罗马太空望远镜的光学系统

一名光学技术人员躺在悬挂在美国宇航局南希·格雷斯·罗马太空望远镜主镜和副镜之间的跳板上。这张照片是通过望远镜光路的投影反射。技术人员将一束光束通过光学系统照射到广域仪器的未来位置，显示任务启动后来自宇宙源的光将如何穿过望远镜。 （图片来源：美国宇航局/克里斯·冈恩）

美国国家航空航天局 (NASA) 南希·格雷斯·罗马太空望远镜将于 2027 年 5 月之前发射升空，它将成为深空的强大眼睛，捕捉数十亿个遥远星系的图像，探索暗物质、超新星和其他宇宙现象的奥秘。

南希·格雷斯·罗马太空望远镜的主要目标是快速、重复地高精度观测大片天空，以绘制正常（重子）物质和暗物质的分布图，并绘制宇宙在各个时期的膨胀速率，以探测暗能量。这些信息对于我们了解宇宙的起源至关重要，并帮助科学家了解快速膨胀的宇宙在遥远的未来会发生什么。它还将利用大型调查来研究其他恒星周围的行星系统，以了解像我们这样的太阳系是否常见、罕见或可能是独特的。

这张照片显示了美国宇航局南希·格雷斯·罗马太空望远镜的光学望远镜组件，该组件最近被运送到该机构位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心最大的洁净室。（图片来源：NASA/Chris Gunn）

2024 年 11 月，L3Harris 向 NASA 交付了完全完成并经过测试的光学望远镜组件 (OTA)，实现了一个重要的项目里程碑。该硬件充当天文台的“眼睛”，收集和调节来自宇宙的光线，供任务的两个仪器使用。

作为 NASA 值得信赖的合作伙伴，L3Harris 负责 OTA 的设计、制造、集成和测试。其中包括一个直径 2.4 米（8 英尺）的主镜以及其他九个较小的镜子、用于将镜子相互对齐的坚固结构，以及使望远镜能够在恶劣的太空环境中运行所需的众多支撑系统。

从该计划一开始，OTA 的开发就是为了满足 NASA 和科学界为此任务提出的具有挑战性和独特的需求。望远镜团队的主要关注领域之一是开发必要的技术，以提供能够满足任务极端光学稳定性需求的系统。其中包括开发一种新的专有碳复合材料，其热膨胀系数（CTE）低于以前的水平，以至于需要开发新技术来测量其性能。由于热膨胀系数极低，一块足球场那么长的材料，当温度改变 100 华氏度（55 摄氏度）时，长度只会改变 100 微米（人类头发的宽度）。

这张照片显示了美国宇航局南希·格雷斯·罗马太空望远镜的整个光学系统。它由 10 个镜子组成，包括图中底部可见的 7.9 英尺（2.4 米）主镜，称为成像光学组件 (IOA)。 （图片来源：美国宇航局/克里斯·冈恩）

即使使用如此稳定的材料，望远镜的温度也必须保持一致才能实现任务目标。 L3Harris 开发了一种新的温度传感和控制架构，即使在天文台的不同部分暴露在太阳的酷热下或面临外太空几乎绝对零的温度时，该架构也能将望远镜的关键区域稳定在千分之几摄氏度。这种最先进的热控制系统确保望远镜内的结构和光学器件保持超稳定（波前误差的亚纳米变化），并即使在经历不同的极端温度时也能继续提供精确的科学测量。

OTA 的设计使得一旦到达距地球一百万英里的最终操作目的地，它将具有最佳的光学性能。这意味着设计必须考虑到地球重力和望远镜冷却到工作温度的微小影响。 L3Harris 的工程师进行了广泛的模拟，以预测望远镜从室温下的地球重力转变为寒冷的太空零重力环境时将发生的变化。这些预期的变化在望远镜光学器件的设计、制造和对准过程中得到考虑。此外，可以移动几个关键光学器件来对预测中的任何未知数进行校正。

计算机生成的已完成的南希·格雷斯·罗马太空望远镜的渲染图，以美国宇航局第一任天文学和太阳物理学主任的名字命名。 （图片来源：美国宇航局）

OTA 于 2024 年初进入关键阶段，对其各种反射镜进行了最终光学对准。这需要将 10 个光学器件相互对齐并定位到微观精度，然后永久锁定到位。小至人类头发丝宽度十分之一的未对准误差都会降低望远镜的成像性能。为了实现如此极端的对准精度，使用了一种称为干涉仪的特殊摄像系统以纳米级精度监控镜子，并在这一关键的对准过程中提供反馈。

最终对准后，望远镜接受了严格的动态测试，包括当它被发射到位于火箭顶部的太空时它将经历的极端环境。这包括使望远镜承受比站在喷气发动机旁边所感受到的声音更大的声级，以及比战斗机飞行员在高重力机动中所经历的加速力高几倍的加速力。

OTA 需要通过的最终测试是热真空测试，在模拟 OTA 在太空中所经历的恶劣环境的条件下评估系统的性能。该测试在纽约罗彻斯特 L3Harris 工厂的大型真空室内进行。真空室的内壁用液氮冷却，以提供非常寒冷的环境，望远镜被冷却到低至-120华氏度（-85摄氏度）的温度。 OTA 展示了其维持所需温度的能力，同时提供精致的光学性能，满足所有要求，并有余量。此次测试成功完成后，OTA被交付美国宇航局戈达德太空飞行中心，与科学仪器和航天器集成在一起。

当罗马太空望远镜发射时，它将与 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜一起绕 L2 拉格朗日点运行——从太阳看，该点位于地球正“后方”150 万公里（100 万英里）。罗曼被设计为与韦伯望远镜结合使用，进行补充性的科学观测，这将提供比任何一项任务单独完成的更深入的宇宙学现象见解。罗马太空望远镜将能够以与哈​​勃太空望远镜相似的分辨率对大片天空区域进行成像，但速度比哈勃太空望远镜快 1000 倍。这使得能够以极高的精度对大片天空进行勘测，以确定韦伯太空望远镜感兴趣的目标。

罗马望远镜也将成为有史以来最稳定的大型太空望远镜，至少比韦伯望远镜稳定 10 倍，比哈勃望远镜稳定 100 倍。这种光学稳定性是该系统的一个关键特征，它将使科学家能够以前所未有的方式测试宇宙学的基本理论。当超稳定望远镜与日冕仪相结合时，它展示了美国宇航局下一个旗舰天体物理任务“宜居世界观测站”及其寻找能够支持生命的行星的目标的关键能力。

罗马太空望远镜 OTA 的交付是 L3Harris 与 NASA 长期合作关系的最新里程碑。 60 多年来，L3Harris 提供了先进的成像系统和其他解决方案，推动宇宙探索。从哈勃望远镜、钱德拉望远镜和詹姆斯·韦伯望远镜到国际空间站和火星漫游者，L3Harris 一直与 NASA 一路同行，不断突破人类探索的界限。

本文由 L3Harris Technologies（纽约州罗彻斯特）首席系统工程师 Peter Miller 撰写。如需了解更多信息，请访问此处。