国际在轨组装空间望远镜

在轨组装式空间望远镜是指望远镜的光学模块、遮光罩模块等多次发射到太空中，由宇航员或者空间机械臂组装成的一种望远镜。

从目前已有工程和未来工程规划来看，空间望远镜的有效口径已从HST的直径2.4 m发展到JWST的直径6.5m，目前口径在朝着更大口径的方向突破发展。相关学者也对在轨组装、在轨展开形式的空间望远镜提出了大量的计划和方案，相关的组装式大口径天文望远镜计划如图1-3所示。

JWST曾命名为下一代空间望远镜，即（Next Generation Space Telescope, NGST）。基于上述命名，1999年波音公司曾规划下下一代空间望远镜（Next, Next Generation Space Telescope, NNGST），如图1-3 (a)所示。NNGST为红外望远镜，主镜由15个大模块和12个小模块组成，其中大模块由6块子镜构成，小模块由3块子镜构成。子镜为正六边形镜，边对边距离1.70m，角对角距离为1.96m。因此主镜的直径达到20m。

NNGST计划采用航天飞机运输至国际空间站（International Space Station, ISS），在国际空间站使用日本实验模块远程机械手系统（Japanese Experiment Module Remote Manipulator System, JEMRMS）用于抓住望远镜总体，使用国际空间站远程遥操作系统（Space Station Remote Manipulator System, SSRMS）和专用灵巧机械臂（Special Purpose Dexterous  Manipulator, SPDM）进行定位和组装。其中SSRMS为七自由度空间站远程操作臂，也被称作Canadarm2，长度为17.6 m，可对大型有效载荷执行捕获、操纵和停泊操作。SPDM包含一个主结构躯干、两个机械臂，机械臂具有七自由度，展开长度约3 m。机械臂末端可安装载荷更换工具，并配备有多种不同种类操作工具。组装完成后脱离ISS，飞行至日地拉格朗日L2点（Sun Earth L2, SEL2）运行，开展光学观测工作。ISS作为组装和后期维修的平台，后续维护可返回ISS进行。 

2003年，波音公司继续规划自主装配空间望远镜（Autonomously Assembled Space Telescope, AAST），如图1-3 (b)所示。AAST主镜直径10 m，计划由12个直径2.5 m直径的子镜模块或18个直径1.8 m直径的模块构成。

2006年美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center, GSFC）提出了一种30 m空间望远镜（Thirty Meter Space Telescope, TMST），如图1-3 (c)所示。该望远镜主镜由直径为1 m的926块圆形子镜构成，圆形子镜构成14个圆环，主镜直径达到30 m。次镜直径2.3 m，主次镜距离达到64.3 m。该望远镜为紫外/可见光/红外波段。项目通过三次发射完成在轨组装工作：第一次发射包含组装机器人、卫星平台和遮光罩结构；第二次发射次镜、科学仪器、遮光罩板和太阳帆等；第三次发射光学元件（926块子镜）和结构件等。望远镜计划在地月拉格朗日L2点（Earth Moon L2, EML2）组装，而后飞往SEL2点开展应用。在SEL2点使用机器人进行维护，并计划在EML2点进行望远镜的复杂修理。

2013年NASA的GSFC提出了一种模块组装建造的模块化组装太空望远镜（Modular Assembled Space Telescope, MAST），如图1-3 (d)所示。该望远镜为紫外-可见光波段，主镜直径20 m，由6个大模块和6个小模块组成。大模块 由16块镜片组成，小模块由12块镜片组成，子镜为正六边形镜，边对边距离1.3 m。该方案计划通过航天发射系统（Space Launch System, SLS）进行发射。通过机械臂和宇航员完成在轨组装。计划组装位置在国际空间站、地球静止轨道或EML2点。组装完成后飞往SEL2点。 

2014年诺思罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman Aerospace Systems）提出可发展空间望远镜（Evolvable Space Telescope, EST）。2015年对EST望远镜的组装方案进行了调整。该望远镜分为三个项目阶段，如图1-3 (e)所示。第一阶段组装为离轴空间望远镜，此时主镜由3块子镜组成，尺寸为4 m×12 m；第二阶段组装为同轴空间望远镜，此时主镜由6块子镜组成，直径为12 m；第三阶段组装为同轴空间望远镜，此时主镜由18块子镜组成，直径为20 m。该项目被考虑在月球附近轨道进行组装，如地月拉格朗日L1点（EML1）、地月拉格朗日L2点（EML2）点、月球远逆行轨道（Distant Retrograde Orbit, DRO）等。待组装完成后飞行至SEL2点。 

2015年，喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）和美国加州理工学院提出了一种机器人组装的模块化空间望远镜（Robotically Assembled, Modular Space Telescope, RAMST），如图1-3 (f)所示。其主镜由264块子镜组件组成，共5016块拼接子镜，单块子镜边长0.675 m，主镜口径达到了100 m。三镜和四镜均为由54块子镜组成的凹面镜，直径6.7 m。该望远镜计划通过四艘SLS运载火箭进行运载上行，在LEO轨道进行组装。组装完成后，其他三个飞行器均停靠在主镜上，一同向SEL2点进行飞行。到达SEL2点后进行脱离并部署望远镜。 

2018年5月，NASA对在轨组装的价值和风险进行定量评估后，指出未来的空间望远镜要以机器人自主装配技术为核心前提，并将发射系统经济性纳入考虑，由此提出一种模块化空间在轨组装望远镜项目（in-Space Assembled Telescope，iSAT），该望远镜未来可扩展模块数量增大口径，可补给维修延长寿命，可用更先进的仪器代替有效载荷。

该望远镜共携带5台科学仪器，其中一台为用于探索类地行星的高性能日冕仪。iSAT望远镜将搭载5 m级整流罩运载火箭，分6次发射，以航天器总线作为组装平台，借助监督式自主机械臂完成在轨装配，最终运行在日地L2轨道。此望远镜采用离轴反射式光学设计，可在紫外/可见光/红外（UVOIR）波长下工作，主镜口径为20 m，包含24个单元模块，每个单元包含7个可调控子镜组件，主镜支撑采用一种新型三桁架结构，见图2（a）；为保证刚度要求，每个子镜组件结构类似于夹层板设计，包含顶层、底层以及中心三角形。为便于模块组装，在节点位置增加了多螺母设计，针对三节点连接的模块接口，使用松脱螺栓预加载进行模块连接，如图2（b）所示。

图2   in-Space Assembled Telescope iSAT望远镜

2020年，长春光机所许博谦等人提出了10 m组装望远镜的总体顶层设计方案，该望远镜由36块子镜组成，望远镜如图1-3 (g)所示。 可以发现，空间望远镜的口径也在向着更大的方向规划发展。在轨组装形式的空间望远镜可以参考NNGST、TMST、MAST、EST、RAMST等项目，可以通过运载火箭多次运载上行，实现超大口径空间望远镜的在轨集成和项目部署。为了验证相关在轨组装望远镜技术，一系列空间技术验证样机方案也被提出，如图1-4所示。

目前在轨组装空间望远镜的小型化的实验方案包括大型模块化光学空间望远镜（A Large Modular Optical Space Telescope, ALMOST）项目、国际空间站光学测试和集成平台（Optical Testbed and Integration on ISS eXperiment, OPTIIX）项目以及可发展空间望远镜的模块化轨道演示项目（Modular Orbital Demonstration of an Evolvable Space Telescope, MODEST）。 

2008年曾提出ALMOST项目，如图1-4(a)所示，计划计划在国际空间站内采用迷你服务平台实现模块望远镜的组装过程，进而验证模块化组装工作。 

NASA曾在2012年提出OPTIIX项目，如图1-4(b)所示。OPTIIX主镜由六块子镜组成，其中单块子镜直径0.5 m，主镜直径1.45 m。OPTIIX通过模块上行至国际空间站，而后用机械臂完成空间组装任务。OPTIIX项目的组装过程计划采用国际空间站SSRMS搭配SPDM使用。根据组装要求，SPDM能够满足OPTIIX装配过程中的安装公差。 

为了验证EST的相关技术，2015年诺思罗普·格鲁曼公司提出了MODEST项目，为了给EST望远镜提供技术基础。如图1-4(c)所示，该望远镜由三个子镜模块组成，每个子镜模块包含两块子镜，单块子镜大小为0.5 m。计划采用龙飞船运载上行，并在国际空间站进行技术验证。

当前中国空间站（China Space Station, CSS）已经完成在轨部署，建立了试验平台，未来也可进行在轨验证光学载荷的相关技术验证。