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牛!“中科天仪”光学系统为“祝融”打造火眼金睛
2021/08/24 17:29  新华报业网  

  交汇点讯 据国家航天局消息,截至8月15日,“祝融号”火星车在火星表面运行90个火星日(约92个地球日),累计行驶889米,所有科学载荷开机探测,共获取约10GB原始数据,“祝融号”火星车圆满完成既定巡视探测任务。当前,火星车状态良好、步履稳健、能源充足,后续将继续向乌托邦平原南部的古海陆交界地带行驶,实施拓展任务。

  记者从中国科学院南京分院获悉,中科院南京天文仪器有限公司(下称“中科天仪”)研制的光学系统,用于本次火星探测计划两台光学探测类科学载荷:祝融号火星车上的 “火星表面成分探测仪”和火星环绕器上的“火星矿物光谱分析仪”,为此次火星探测任务作出了重要贡献。

  这两台光学载荷由中科院上海技术物理研究所牵头研制。“火星表面成分探测仪”用于开展火星着陆区表面元素、矿物和岩石的高精度科学探测,“火星矿物光谱分析仪”则用于火星表面物质成分调查和分析,目前这两台载荷均已顺利开展科学探测,并成功下传探测数据。

  祝融号与其上搭载的火星表面成分探测仪

  “如果说光学载荷是火星车上的‘千里眼’,那么它的光学系统就相当于眼球的‘晶状体’,用于汇聚光线,实现清晰成像。”“中科天仪”科技处处长朱庆生研究员科普道,光学载荷主要由光学系统、机械结构、成像器件和控制分析软件四大部分组成,而光学系统是核心,它的主镜、次镜、施密特改正镜和离轴反射镜等光学镜面,均是“中科天仪”组织核心科技力量为此次火星任务而专门攻关研制的产品。在此次探测任务中,这批光学镜面的指标精度完全符合设计要求,综合性能表现良好。

  火星环绕器

  如何让这个小小的“晶状体”到了火星后有效实现功能,成为科研团队一个不小的挑战。

  “轻量化指标极高”是团队接到任务后首先需要考虑的问题。地球与火星距离遥远,飞行时间漫长,“轻量化”能减少系统质量降低能量消耗,最大程度保证飞行成功,以及在前所未知的火星表面有效行动。但是,高轻量化会导致镜体的刚度下降,抗变形能力降低,镜面的精度和稳定性会下降,势必会影响光学系统性能,故而必须解决上述问题。

  为了克服困难,“中科天仪”科研团队在镜体轻量化结构设计、机械结构设计、超轻量化镜体加工与检测等方面进行集智攻关,并组建了各个任务团队,主要包括光机系统设计团队,负责镜体和机械结构的优化设计、分析仿真等工作;镜体加工检测团队,负责镜体轻量化结构加工、高精度镜面加工、镜体镜面检测等工作;系统装调检测团队,负责光学系统的装配、性能调试、检测等工作;生产管理团队,负责生产调度、设备维护、质量管理、安全生产的管理团队等,最终圆满克服了各种困难,完成了既定任务。

  为了“祝融”能在火星上拥有“火眼金睛”,航天光学载荷需要具备高清晰成像功能。为此,设计单位采用了离轴多反非球面镜系统,消除系统色差、抑制系统各类像差,同时实现了无中心遮拦的清晰成像。朱庆生研究员告诉记者,离轴、多反、非球面这三个要求都是光学仪器研制的难点,同时实现三方面的极限技术要求,对于光学加工、装调、检测都提出了极高的要求。团队通过改进离轴非球面镜加工工艺、设计专用检测工装、发明离轴多反装配和检测方法等创新,圆满解决了研制过程中的技术障碍。

  在实际探测任务中,“中科天仪”这批光学镜面的指标精度也完全满足了设计要求。为了满足两台光学载荷的高精度探测要求,火星任务光学镜面的精度指标需要比通常光学仪器的镜面精度更高,需要将实际镜面与设计镜面的误差控制到纳米量级,才能实现更清晰的成像,满足高精度探测要求。这也是此次任务的另一大挑战。

  朱庆生研究员说,光学镜面的精度依靠精密光学加工和光学检测来实现,通过多工序的加工检测迭代来完成。在这个过程中,科研团队做了大量的计算与检验工作。在镜面磨削、研磨、精密抛光等工序,优化相应的加工工艺,设计对应的检测方法,针对检测出的误差,再进行反馈补偿加工。像这样反复迭代,误差不断收敛,才在最终达到技术要求的精度指标。

  此外,“中科天仪”还做了大量的工作加强光学产品的可靠性以及环境适应性,包括对发射过程的强烈振动、太空真空、低温、失重等情形的适应性,这充分保障了产品在特殊环境下的有效性能。该项目创新发展的新技术,也将在天文仪器、大气探测仪器、激光通信与量子通讯设备、光学检测仪器等方面拥有广泛的应用前景。

  新华日报·交汇点记者 蔡姝雯 实习生 晏庆合

  图片由受访者提供

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责编:顾志铭

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