肖昊江

莫斯科時(shí)間2008年7月26日22時(shí)31分(北京時(shí)間27日2時(shí)31分)普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)，“聯(lián)盟”2-Ib火箭將一顆編號(hào)“宇宙”2441的光電偵察衛(wèi)星送入太陽(yáng)同步軌道，這是俄羅斯近年來(lái)發(fā)射的第一顆新一代光電偵察衛(wèi)星。由于涉及到俄羅斯偵察衛(wèi)星的最高機(jī)密，因此有關(guān)這顆衛(wèi)星的資料無(wú)論俄方還是西方均無(wú)詳細(xì)報(bào)道，本文僅從有限的信息當(dāng)中推測(cè)一下這顆衛(wèi)星的技術(shù)特點(diǎn)。

首先，媒體報(bào)道中最引人矚目的一點(diǎn)是：“宇宙”2441衛(wèi)星使用了類似“阿肯”1的光學(xué)系統(tǒng)。為了分析該衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)，就要先介紹一下“阿肯”1衛(wèi)星的背景。需要說(shuō)明的是，“阿肯”(ARKON)實(shí)際上不是俄文的原音，而是俄文簡(jiǎn)寫(xiě)，是拉沃奇金設(shè)計(jì)局1990年提出的民用遙感衛(wèi)星的代號(hào)。而“阿肯”1實(shí)際上是前蘇聯(lián)上世紀(jì)80年代研制的第八代偵察衛(wèi)星計(jì)劃：ARAKS計(jì)劃(代號(hào)為11f664，設(shè)計(jì)局代號(hào)“特工”)的民用版。應(yīng)當(dāng)說(shuō)先有軍用的“特工”，后有民用的“阿肯”1。

對(duì)于“特工”或“阿肯”衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)，目前沒(méi)有俄方公開(kāi)的權(quán)威資料。不過(guò)根據(jù)國(guó)內(nèi)編纂的“衛(wèi)星偵查參考資料”以及相關(guān)報(bào)告，還有拉沃奇金聯(lián)合體的有限資料可以大致看出，

“特工”／“阿肯”衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成屬于折反式卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)，這與之前俄羅斯的“琥珀類”光學(xué)偵查衛(wèi)星采用小孔徑折射系統(tǒng)明顯不同。一般來(lái)說(shuō)，折射式系統(tǒng)易于安裝調(diào)試和檢測(cè)且成像質(zhì)量高，但是隨著孔徑的加大，需要采用復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)消除相差。另外，折射系統(tǒng)的重量通常較大。例如“琥珀類”衛(wèi)星的小孔徑折射鏡頭就重達(dá)700～1000公斤(焦距5～6米)。相比而言，反射式系統(tǒng)沒(méi)有相差、鏡頭可向大尺寸發(fā)展、采用碳化硅或鈹反射鏡可以大幅度減輕重量，因此焦距15米以上的光學(xué)系統(tǒng)均采用反射式系統(tǒng)。由此判斷，像“特工”／“阿肯”這類的大孔徑長(zhǎng)焦距系統(tǒng)采用反射式或折反式光學(xué)系統(tǒng)是合理的選擇。

根據(jù)“阿肯”I衛(wèi)星在2120公里的高度全色分辨率為2米(軍用“特工”衛(wèi)星的分辨率更高，估計(jì)同樣高度下可達(dá)1米)和其光學(xué)系統(tǒng)是一種折反式卡塞格倫系統(tǒng)這些重要線索表明：光學(xué)部分有一塊表面呈拋物面曲率的主鏡，在主鏡前面有一塊表面呈雙曲面曲率的副鏡。副鏡接收從主鏡反射回來(lái)的光，再將其經(jīng)由主鏡的中心孔反射到位于主鏡后面不遠(yuǎn)處的焦面上。此外，要想保證光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊以便能安裝在估計(jì)長(zhǎng)度11米的衛(wèi)星內(nèi)，折反式卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的有效焦距必須短于標(biāo)稱的27米。這就需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加一個(gè)焦距延長(zhǎng)器(由一組透鏡構(gòu)成，在主鏡之后)，以提供附加的焦距。根據(jù)愛(ài)里斑直徑計(jì)算公式并考慮到副鏡的中心遮蔽所造成的衍射影響，要在2120公里高度實(shí)現(xiàn)全色2米分辨率需要1.8米的光學(xué)孔徑，考慮到加工誤差，孔徑則要達(dá)到2米以上。可以看出這是一個(gè)非常大的光學(xué)系統(tǒng)。再加上為獲得高分辨率所必須的溫控系統(tǒng)和軌道機(jī)動(dòng)所需燃料的重量，就無(wú)怪乎第一顆“阿肯”衛(wèi)星使用質(zhì)子火箭發(fā)射。不過(guò)根據(jù)兩顆已經(jīng)發(fā)射的“宇宙”2344／2392來(lái)看，這種衛(wèi)星的性能還不穩(wěn)定，均未達(dá)壽命期就報(bào)廢了。

從以上對(duì)“阿肯”衛(wèi)星的介紹可以看出，新一代“宇宙”2441如果采用類似光學(xué)系統(tǒng)的話，在770公里太陽(yáng)同步軌道上的分辨率可達(dá)0.2～0.3米。事實(shí)上，從目前獲得的關(guān)于“宇宙”2441衛(wèi)星分辨率描述的報(bào)道上看，其分辨率大概在1英尺左右(約0.3米)。這也印證了其采用類似“阿肯”衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)的報(bào)道，當(dāng)然在影響分辨率的諸多因素中，CCD像元尺寸也是一個(gè)重要因素。大孔徑長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)一般采用輕量化的碳化硅或鈹反射鏡，“特工”和“宇宙”2441也不例外。事實(shí)上俄羅斯早已在碳化硅和鈹鏡方面進(jìn)行了大量研究，對(duì)于鏡胚材料、鍍膜、表面處理等方面均有成熟的工藝，已經(jīng)具備加工直徑1.2米反射鏡的能力。有一點(diǎn)值得注意的是，像美、俄這種大孔徑偵查衛(wèi)星的主反射鏡一般采用分瓣制造再組合的方式，因?yàn)橐淮纬尚椭睆?米以上的超高精度單鏡片是非常復(fù)雜的。另外，光學(xué)自適應(yīng)技術(shù)的使用也要求主鏡面分成多個(gè)可控的較小鏡片。這樣看來(lái)，“宇宙”2441的鏡頭直徑如果大于1.5米，則采用分瓣制造將是趨勢(shì)。

對(duì)于“宇宙”2441的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有一點(diǎn)尚未弄清，那就是其采用的是共軸還是離軸全反射系統(tǒng)，以及相對(duì)于“特工”／“阿肯”的光學(xué)系統(tǒng)，其改進(jìn)之處如何?共軸全反射系統(tǒng)的光路中間有遮攔，會(huì)影響分辨率，采用離軸全反射系統(tǒng)則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，但是加工檢測(cè)復(fù)雜。目前尚不知道“宇宙”2441衛(wèi)星是否采用離軸結(jié)構(gòu)。根據(jù)新聞報(bào)道，這顆衛(wèi)星使用的是“資源”DKI衛(wèi)星平臺(tái)。從“資源”DKI的平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及目前的推測(cè)圖來(lái)看，應(yīng)當(dāng)是共軸／擬共軸系統(tǒng)。前面曾經(jīng)提到“宇宙”2441的光學(xué)系統(tǒng)類似“特工”／“阿肯”的光學(xué)系統(tǒng)，但是有不同(或是說(shuō)有改進(jìn))。根據(jù)Wikipedia的信息顯示，“宇宙”2441的光學(xué)系統(tǒng)可能是一款長(zhǎng)焦距的三反式／二級(jí)光學(xué)系統(tǒng)，而“特工”／“阿肯”衛(wèi)星采用折反式光學(xué)系統(tǒng)。“特工”／“阿肯”衛(wèi)星的折反式光學(xué)系統(tǒng)在主鏡之后是一組透鏡構(gòu)成的焦距延長(zhǎng)器，而“宇宙”2441衛(wèi)星的光學(xué)系統(tǒng)在主鏡之后是場(chǎng)鏡和二級(jí)校正鏡?！坝钪妗?441衛(wèi)星采用三反式長(zhǎng)焦距系統(tǒng)，并采用了類似“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的二級(jí)光學(xué)系統(tǒng)。

二級(jí)光學(xué)的基本思想是將系統(tǒng)分兩級(jí)成像，第一級(jí)保證得到大的相對(duì)孔徑，其像質(zhì)一般；第二級(jí)主要是校正第一級(jí)的成像質(zhì)量，可使用主動(dòng)和被動(dòng)校正元件。兩級(jí)之間是采用大的場(chǎng)鏡把主鏡的像成到校正元件上。二級(jí)光學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是：可保證主鏡尺寸較大，但其面形要求不高，使其加工裝調(diào)難度降低，成本下降；像質(zhì)校正采用第二級(jí)較小尺寸的元件來(lái)做，減小了校正難度；校正器的自適應(yīng)模型和程序在地面事先做好，在空間只須保證兩級(jí)間幾何位置；利用附加反射鏡可擴(kuò)大視場(chǎng)；用反射校正器可很方便的在紅外譜段進(jìn)行調(diào)制；具有中間像可遮光罩和消雜光光欄簡(jiǎn)化。以上分析是對(duì)“宇宙”2441采用的改進(jìn)型光學(xué)系統(tǒng)的推測(cè)，當(dāng)然這有待于進(jìn)一步消息的核實(shí)。

其次，新聞報(bào)道中還提到此次發(fā)射由新型的“聯(lián)盟”2-1b火箭完成?！奥?lián)盟”2-1b火箭在普列謝茨克發(fā)射時(shí)的運(yùn)載能力為7.48噸，這意味著“宇宙”2441的重量在5噸左右，與以前的“宇宙”2344相差明顯，也與“宇宙”2392相比輕了一些。重量減輕的原因可能是由于技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的，當(dāng)然也可能是其功能較“特工”衛(wèi)星明顯的簡(jiǎn)化。另外，比較特殊的是這顆衛(wèi)星是被發(fā)射到太陽(yáng)同步軌道上的，而以前蘇俄的光學(xué)偵查衛(wèi)星一般采用軌道較低的極地軌道。

最后分析一下“宇宙”2441所采用的CCD像元尺寸。CCD技術(shù)是光電成像衛(wèi)星的核心技術(shù)之一，但是由于前蘇聯(lián)

在光電子領(lǐng)域落后于西方，因此在80年代后期才發(fā)射了數(shù)字成像衛(wèi)星。前蘇聯(lián)研制數(shù)字成像衛(wèi)星的關(guān)鍵也是CCD器件的研制，大約花了10年時(shí)間攻克這個(gè)難關(guān)。根據(jù)相關(guān)報(bào)告介紹，蘇聯(lián)解體后不久，俄羅斯就已經(jīng)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陣列。最近幾年俄羅斯的CCD技術(shù)也有了不小的進(jìn)步，目前從事CCD技術(shù)研究的單位有許多家，其中比較有名的是：奧里昂聯(lián)合體電子中央科技研究所、電子-光導(dǎo)研究所、旋風(fēng)中央科技研究所、西伯利亞半導(dǎo)體物理研究所、國(guó)家光學(xué)研究所、國(guó)家應(yīng)用光學(xué)研究所、極地研究所等國(guó)有科研單位。也有蘇聯(lián)解體以后涌現(xiàn)出來(lái)的企業(yè)，例如焦平面工藝技術(shù)公司等等。其中，“資源”DK1衛(wèi)星所使用的CCD陣列是電子-光導(dǎo)研究所(現(xiàn)成立了ELAR公司)研制的ELCT1080v1U。

根據(jù)“宇宙”2441衛(wèi)星所要求的分辨率來(lái)看，其采用的CCD像元尺寸在6～9微米左右，當(dāng)然這是指可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這要說(shuō)明一下CCD像元尺寸對(duì)于衛(wèi)星分辨率的影響，除了大氣擾動(dòng)以外，光學(xué)系統(tǒng)和感光器件的尺寸對(duì)分辨率均有重要影響，而且是相互作用的。光學(xué)系統(tǒng)的分辨率一般是根據(jù)瑞利規(guī)則：分辨率=最小分辨角×軌道高度，最小分辨角≈0.61×波長(zhǎng)／有效孔徑。根據(jù)這個(gè)公式，“阿肯”在2120公里高度時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)極限分辨率是0.36米，而實(shí)際上軍用的“特工”衛(wèi)星也達(dá)不到這樣高的分辨率。因此，問(wèn)題不是出在光學(xué)系統(tǒng)上，而是另有原因。從焦距、像元尺寸和軌道高度看，地面分辨率存在一個(gè)簡(jiǎn)單關(guān)系：地面分辨率=像元尺寸×軌道高度／焦距，根據(jù)這個(gè)公式，按照“特工”衛(wèi)星CCD像元尺寸13微米計(jì)算，其在2120公里高度的分辨率為1.02米，這跟對(duì)“特工”衛(wèi)星的分辨率推測(cè)是一致的。如果將“特工”衛(wèi)星的高度降低到770公里，則其分辨率為0.36米，這與對(duì)“宇宙”2441分辨率的推測(cè)基本一致。如果反推回去，根據(jù)0.3米的分辨率和750公里的軌道高度并以像元尺寸為9微米為基準(zhǔn)，則“宇宙”2441衛(wèi)星的焦距至少是20米。當(dāng)然，由于技術(shù)進(jìn)步使得“宇宙”2441衛(wèi)星的長(zhǎng)度和光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)度比“阿肯”，“特工”衛(wèi)星有所減小并簡(jiǎn)化了一些復(fù)雜功能，因此其重量也就進(jìn)一步減小到5噸左右。由于俄羅斯在光電器件上與西方存在差距，“宇宙”2441的CCD陣列可能像“阿肯”衛(wèi)星一樣是不同波段的CCD陣列拼接而成的，覆蓋8個(gè)或更多波段。

綜上推測(cè)，“宇宙”2441作為俄羅斯新一代數(shù)字成像偵察衛(wèi)星，在體積、重量、壽命、光學(xué)系統(tǒng)和CCD器件上展現(xiàn)了一些新的特征，是其近幾年技術(shù)進(jìn)步的集中體現(xiàn)。而且從分辨率來(lái)看，“宇宙”2441更是接近了美國(guó)的最高級(jí)別技術(shù)水準(zhǔn)。

(編輯一翔)