NASA南希·格雷斯·罗曼空间望远镜光学系统的工程设计与验证

一名光学技术人员躺在悬挂于NASA南希·格雷斯·罗曼空间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学路径投射的反射图像。技术人员将一束光照射通过光学系统，指向广视场仪器未来的安装位置，展示了宇宙光源发出的光在任务发射后将如何穿过望远镜。（图片来源：NASA/Chris Gunn）

任务概况与科学目标

NASA南希·格雷斯·罗曼空间望远镜将于2027年5月前发射，作为深空观测的强大"眼睛"，将捕捉数十亿个遥远星系的图像，探索暗物质、超新星及其他宇宙现象的奥秘。

罗曼空间望远镜的主要目标是快速、反复地以高精度巡天大面积区域，绘制正常（重子）物质和暗物质的分布图，测绘不同时代的宇宙膨胀率以探测暗能量。这些信息对于理解宇宙起源至关重要，也有助于科学家预测快速膨胀宇宙的遥远未来。此外，它还将利用大规模巡天研究其他恒星周围的行星系统，了解类太阳系是普遍、罕见还是独一无二的。

光学望远镜组件（OTA）交付里程碑

这张照片展示了NASA南希·格雷斯·罗曼空间望远镜的光学望远镜组件，该组件最近已交付至该机构戈达德航天飞行中心最大的洁净室。（图片来源：NASA/Chris Gunn）

2024年11月，项目取得重大里程碑：L3Harris向NASA交付了完全组装并测试完成的光学望远镜组件（OTA）。该硬件作为观测站的"眼睛"，收集和调节来自宇宙的光供任务的两台仪器使用。

作为NASA的可靠合作伙伴，L3Harris负责OTA的设计、制造、集成和测试。这包括一面直径2.4米（8英尺）的主镜、另外九面较小的镜子、用于将镜子相互对齐的坚固结构，以及使望远镜能在严酷太空环境中工作的众多支持系统。

极端光学稳定性的技术突破

从项目一开始，OTA的开发就旨在满足NASA和科学界为该任务设定的严苛且独特需求。望远镜团队的主要关注领域之一是开发满足任务极端光学稳定性需求的技术。这包括开发一种新型专有碳复合材料，其热膨胀系数（CTE）比以往任何材料都低——低到需要开发新技术来测量其特性。由于极低的CTE，一块长度相当于美式足球场的这种材料，在温度变化100华氏度（55摄氏度）时，长度变化仅为100微米（约人类头发宽度）。

这张照片展示了NASA南希·格雷斯·罗曼空间望远镜的整个光学系统。它由10面镜子组成，包括图中底部可见的直径7.9英尺（2.4米）主镜，被称为成像光学组件（IOA）。（图片来源：NASA/Chris Gunn）

即使有如此稳定的材料，望远镜温度也必须保持恒定以实现任务目标。L3Harris开发了一种新型温度传感和控制架构，能将望远镜关键区域的温度稳定在几千分之一摄氏度内，即使观测站不同部分分别面对灼热的太阳或接近绝对零度的深空。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（波前误差亚纳米级变化），在经历不同热极端环境时仍能持续提供精确的科学测量。

从地面到太空的精密设计

OTA的设计确保其到达距地球百万英里的最终运行位置时具有最佳光学性能。这意味着设计必须考虑地球重力和望远镜冷却到工作温度的微小影响。L3Harris工程师进行了大量模拟，预测望远镜从地球重力和室温环境过渡到太空零重力、低温环境时将发生的变化。这些预期变化在设计、制造和光学对准阶段均已纳入考量。此外，几个关键光学器件可移动，以校正预测中的未知因素。

NASA首任天文学与日球物理学主任南希·格雷斯·罗曼的命名渲染图。（图片来源：NASA）

关键对准与严苛测试

OTA于2024年初进入关键阶段，完成了各镜片的最终光学对准。这要求10个光学器件以微米级精度相互对准定位，然后永久锁定。仅相当于人类头发宽度十分之一的错位就会降低望远镜成像性能。为达到如此极致的对准精度，使用了一种称为干涉仪的特殊相机系统，以纳米级精度监测镜片并在对准过程中提供反馈。

最终对准后，望远镜经历了严格的动态测试，模拟其作为火箭顶部有效载荷发射入轨时将经历的极端环境。这包括承受比站在喷气式发动机旁更响的声学噪音，以及战斗机飞行员高G机动时经历的数倍加速度。

OTA必须通过的最终测试是热真空测试，在模拟太空严酷环境的条件下评估系统性能。测试在L3Harris位于纽约罗切斯特的大型真空室中进行。真空室内壁用液氮冷却以提供极寒环境，望远镜被冷却至-120华氏度（-85摄氏度）。OTA展示了维持所需温度的能力，并提供了超出所有要求的卓越光学性能。测试成功完成后，OTA被交付至NASA戈达德航天飞行中心，与科学仪器和航天器整合。

与韦伯望远镜协同工作

罗曼空间望远镜发射后将加入NASA詹姆斯·韦伯空间望远镜，在L2拉格朗日点运行——距地球150万公里（100万英里），从太阳视角看直接位于地球"后方"。罗曼设计为与韦伯望远镜协同工作，进行互补科学观测，提供单一任务无法实现的宇宙学洞见。罗曼空间望远镜能以哈勃空间望远镜相似的分辨率成像大面积天区，但速度是哈勃的1000倍。这使得能以极高精度巡天大面积区域，为韦伯望远镜识别感兴趣目标。

罗曼将是有史以来最稳定的大型空间望远镜，稳定性至少是韦伯的10倍、哈勃的100倍。这种光学稳定性是系统的关键特性，将使科学家以前所未有的方式检验基本宇宙学理论。当超稳定望远镜与日冕仪结合时，展示了通往NASA下一代旗舰天体物理任务"宜居世界观测站"的关键能力，后者的目标是寻找可能支持生命的行星。

L3Harris与NASA的长期合作

罗曼空间望远镜OTA的交付是L3Harris与NASA长期合作伙伴关系的最新里程碑。60多年来，L3Harris提供尖端成像系统和其他解决方案，推动宇宙探索。从哈勃、钱德拉、詹姆斯·韦伯望远镜到国际空间站和火星探测器，L3Harris始终与NASA同行，不断拓展人类发现的边界。

本文由L3Harris Technologies（纽约罗切斯特）首席系统工程师Peter Miller撰写。更多信息请访问此处。