李保權，李海濤，曹陽，桑鵬，劉亞寧，余道淳

1．中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190 2．中國科學院大學，北京 100049

基于脈沖星的航天器自主導航技術具有重要的工程應用價值和戰(zhàn)略意義，備受國際航天界和學術界的關注，相關的理論研究和在軌試驗驗證一直在持續(xù)推進［1-2］。美國先后利用“先進研究和全球觀測衛(wèi)星（Advanced Research and Global Observation Satellite， ARGOS）”上 的“非常規(guī)恒星定位探測器（Unconventional Stel?lar Aspect， USA）”和國際空間站上“中子星內部構成探測器（Neutron Star Interior Composition Explorer， NICER）”開展了脈沖星導航在軌試驗［3-4］。2018年美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）

公開的資料顯示，基于NICER開展的脈沖星導航試驗在軌定位精度達到10 km以內［4］，驗證了脈沖星導航的可行性。2016年中國也發(fā)射了由中國空間技術研究院研制的“脈沖星導航試驗衛(wèi)星（X-ray Pulsar-based Navigation-1， XPNAV-1）”。XPNAV-1是中國首顆專門致力于脈沖星導航技術的試驗驗證衛(wèi)星，現在軌工作超5年，積累了大量數據，中國學者基于該星數據開展了脈沖星導航試驗相關研究［5-11］。

X射線望遠鏡是脈沖星導航系統(tǒng)的核心設備，其靈敏度和時間標記精度決定了整個導航系統(tǒng)的精度。由于脈沖星的X射線輻射強度較弱，高靈敏度依賴大探測面積實現。受技術手段制約，早期X射線天文衛(wèi)星上多采用氣體探測器來實現大探測面積，例如天文-C衛(wèi)星（Astronomy C satellite， Astro-C，發(fā)射 后 改 稱 為Ginga）［12］、羅希X射線時變探測器（Rossi X-ray Timing Explorer， RXTE）［13］、ARGOS衛(wèi) 星［3］等。氣 體探測器有其本身優(yōu)勢：填充因子小、容易實現大面積，而且成本較低，但缺點也比較明顯：背景干擾大，探測效率低，能量分辨差，在軌可靠性低。尤其在軌可靠性問題，是制約氣體探測器在空間應用的最大障礙。RXTE衛(wèi)星氣體探測器的2個單元在2000-05-12和2006-12-25發(fā)生破損，導致反符合層功能喪失［14］。2000-11-16， ARGOS衛(wèi)星2套氣體探測器單元發(fā)生泄漏導致探測器失效［3］。隨著技術進步，以及天文衛(wèi)星對探測性能可靠性要求提升，氣體探測器在空間的應用正逐漸被淘汰，聚焦型X射線望遠鏡正成為天體X射線衛(wèi)星的首選。聚焦型X射線望遠鏡由光學聚焦系統(tǒng)和X射線探測器組成，常規(guī)的掠入射X射線聚焦系統(tǒng)包括K-B鏡、龍蝦眼、Wolter-I型等結構形式， Wolter-I型望遠鏡在天體X射線成像領域被廣泛采用［15-16］，該結構便于通過嵌套的方式實現大探測面積，同時還能實現高分辨成像。Wolter-I型望遠鏡的信噪比、靈敏度相比早期天文衛(wèi)星上的X射線氣體探測器有數量級的增長。但受工藝手段限制，Wolter-I型光學系統(tǒng)一直面臨研制周期長、難度大、成本高、質量重等制約因素。例如1999年發(fā)射的“錢德拉X射線天文臺 （Chandra X-ray Observatory， CXO）”，其上的X射線望遠鏡光學系統(tǒng)采用4層Wolter-I型嵌套，鏡面直徑分別為0.65、 0.87、 0.99、1.23 m，幾何面積1145 cm2。聚焦鏡面采用微晶玻璃整體加工和研磨拋光，單位面積的重量高達18000 kg/m2（@1keV），研制經費高達98億美元/m2［17］。隨著電鑄鎳工藝的進步，X射線聚焦鏡在幾何面積、輕量化方面取得顯著進步。采用電鍍鎳鏡面的XMM-Newton衛(wèi)星Wolter-I望遠鏡嵌套58層，有效面積1430 cm2@1.5 keV。聚焦系統(tǒng)單位面積的重量降到3200 kg/m2，研制費用約3.6億美元/m2［17］。2000年以來，隨著中國空間科學發(fā)展以及脈沖星導航研究的需求，中國科學院國家空間科學中心、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、蘇州大學、北京控制工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學、同濟大學等多家單位開展了基于微晶玻璃加工、電鑄鎳復制、平面玻璃熱成型等掠入射聚焦反射鏡的工藝探索和X射線望遠鏡的研制，推進了中國在空間X射線探測領域的發(fā)展［17-23］。

長期以來，基于電鑄鎳工藝［24-27］的掠入射嵌套聚焦系統(tǒng)在國際上占據主導地位，但隨著新材料、新工藝的出現，更為輕量化、低成本的研制技術正呈現替代趨勢［28-29］。2012年發(fā)射的“核光譜望遠鏡陣列衛(wèi)星（Nuclear Spectroscopic Tele?scope Array， NuSTAR）”突破了一種更為輕量化、低成本的平面玻璃熱成型工藝［30］。NuSTAR成像光學系統(tǒng)采用Wolter-I型結構，嵌套133層鏡面，單鏡頭總重量37 kg，軸上視場最大有效面積約500 cm2@10keV，單位面積質量約740 kg/m2。相比傳統(tǒng)的電鑄鎳金屬鏡面重量顯著降低，研制費 用 大 幅 度 降 到 了 約8千 萬 美 元/m2［31］。Nu?STAR聚焦光學系統(tǒng)選用肖特公司D263平面玻璃，精密切割成近似拋物面型尺寸的 “梯形”結構，再置于熔石英模具之上，然后通過高溫加熱重力塌陷變形的方式，使得平面玻璃在模具上成型為圓柱形。鏡頭裝配時，精修鏡面間石墨支撐條軸向面型，使其與設計的錐面鏡面型誤差控制在1 μm以內。將成型后圓柱形鏡面放置在支撐條上，通過工裝上的徑向壓板在壓力作用下使柱面鏡與支撐條緊密貼合。待支撐條與鏡面間粘結膠固化后，柱面鏡就在應力作用下成型為需要的錐形鏡。由于NuSTAR熱成型的聚焦鏡面是柱面鏡而非錐形鏡，所以嵌套裝配時還需要對鏡面進行二次塑型，這導致裝配工藝十分復雜，需要配備在線加工設備和精密的在線檢測設備。受工裝、在線加工檢測等輔助設備的體積和定位影響，NuSTAR二次成型粘結膠只能在常溫下固化，單片鏡面的固化時間至少需要8 h。文獻資料顯示，裝配一套完整的NuSTAR鏡頭需要3 month以上［30］，所以NuSTAR鏡面研制工藝效率較低，但NuSTAR為研制輕量化的X射線聚焦系統(tǒng)提供了一種新技術路線。

筆者所在團隊在基于Wolter-I型X射線成像望遠鏡研制技術的基礎上，2014年聯合相關單位開始研制基于平面玻璃熱成型的輕量化嵌套聚焦型X射線望遠鏡，探索出不同于NuSTAR的新一代曲面鏡高精度成型工藝，2015年研制完成4套大面積、輕量化、嵌套聚焦型X射線望遠鏡（Nested Focusing X-ray Telescope， NFXT）?；谳p質平面玻璃直接熱成型曲面鏡的工藝突破，可以為國內開展脈沖星導航試驗驗證，以及研制先進的X射線天文衛(wèi)星提供關鍵技術支撐。

1 掠入射嵌套聚焦望遠鏡光學設計

NFXT采用了類似于NICER的拋物面一次反射聚焦結構［32-33］。由于掠入射拋物面鏡是環(huán)帶收光，單個拋物面鏡的幾何收集面積太小。為了滿足脈沖星弱輻射的探測需要，需要多個拋物面鏡共焦嵌套來擴大收集面積，如圖1所示。嵌套聚焦望遠鏡光學設計需要兼顧嵌套曲面鏡高反射率、大口徑、小包絡的優(yōu)化原則。X射線全反射臨界角是掠入射嵌套鏡面設計的最核心輸入參數，其決定了最外層拋物面鏡口徑和后工作距。綜合權衡X射線脈沖星導航使用的能段，以及航天器能夠接受的體積約束，最終確定最外層鏡面最大掠入射角為1.58°，最內層最大掠入射角0.626°，后工作距1300 mm，鏡面軸向長度300 mm，嵌套鏡面最大直徑177.3 mm（最外層入口端），嵌套鏡面最小直徑57.6 mm（最內層出口端）。表1列出了最終優(yōu)化后的11層共焦嵌套的拋物面方程參數和選取的鏡面數學參數。其中，P為焦準距，即拋物線焦點到準線的距離；δy為坐標差距，即入射右端點y坐標—出射右端點y坐標。最內層的鏡面序號i=11，最外層的鏡面序號i=1。嵌套聚焦光學結構最小的環(huán)帶寬度3.09 mm，外層的最大環(huán)帶寬度8.65 mm。最大環(huán)帶和最小環(huán)帶的遮攔比約90%，根據以往研制Wolter-I型太陽X射線成像望遠鏡的經驗，90%的遮攔比可以用可見光平行光管檢測各層的裝配效果。

圖1 嵌套拋物面光學參數坐標系Fig. 1 Coordinate system of nested parabolic mirrors

表1 嵌套拋物面聚焦望遠鏡光學參數Table 1 Optical parameters of nested parabolic focusing mirrors

考慮到旋轉拋物面鏡模具的加工難度，為了降低嵌套聚焦光學系統(tǒng)的研制成本，最終采用錐形鏡面與旋轉拋物面鏡相結合的光學結構。經過仿真優(yōu)化，內8層采用錐形鏡面，外3層采用拋物面鏡。內8層拋物面鏡的曲率半徑相比錐形鏡差別不大，軸向300 mm的長度上最大矢高差81 μm，所以完全可以錐形鏡近似代替拋物面鏡。這種替代使得研制成本和研制難度大幅降低，國際上眾多的Wolter-I型天文望遠鏡都采用了近似替代［15，34-35］。圖2是8層錐形鏡+3層拋物面鏡的Zemax仿真結果。采用錐面與拋物面組合的嵌套結構，0°視場EoE（ Energy of Encircle）=75%時對應的包圍圓半徑為1 mm，包圍圓半徑為2 mm時，能夠探測到90%的聚焦能量。目前市場上典型的硅漂移探測器（Silicon Drift Detector，SDD）或者雪崩二極管探測器（Avalanche Photo Diode，APD）有效半徑超過2.5 mm，這種組合聚焦能夠保證探測器選型不受局限，所以8層錐面鏡+3層拋物面鏡是一種可以接受的優(yōu)化設計，既減輕了鏡面的研制難度，也降低了研制成本。

圖2 11層鏡面嵌套EoE分布圖（8層錐面+3層拋物面）Fig. 2 EoE profile of 11 layered nested mirror （8 lay?ered conic mirrors+3 layered parabolic mirrors）

2 X射線掠入射聚焦光學反射鏡研制

NuSTAR實現了嵌套聚焦鏡頭的輕量化，但工藝過程有其固有缺陷。NuSTAR將平面玻璃熱成型為柱面鏡，但X射線成像需要曲面鏡或者錐形鏡，所以在組裝集成時還需要二次塑型。NuSTAR的焦距為10 m，柱面鏡相比非球面鏡曲率半徑相差較小，在應力壓制過程中形變量不大，所以柱面鏡在二次塑形過程中不易破碎，但這種機械應力壓制成型使得嵌套共焦裝配過程變得異常復雜，而且風險高、效率低，僅適合于長焦距的掠入射系統(tǒng)，否則鏡面形變量大導致玻璃破碎。不過NuSTAR的鏡面研制工藝給了2方面的啟示：①平面玻璃可以進行熱成型，且能夠保持鏡面的超光滑；②200 μm厚的大面積玻璃能夠承受航天力學環(huán)境。在研制NFXT聚焦鏡面時，也采用平面玻璃熱成型的工藝，但技術路線與NuSTAR不一樣，具體工藝流程如圖3所示。

圖3 曲面鏡快速成形工藝Fig. 3 Rapid manufacturing process of curved mirror

工藝流程中的關鍵環(huán)節(jié)如下：

1）加工石英模具

為了保證反射鏡面的成型質量，選用熔石英作為成型模具材料。熔石英熱膨脹系數約0.5×10?6，尺寸穩(wěn)定性好，且易于超光滑拋光；軟化溫度高達1580 ℃，遠高于D263T的軟化點。根據表1嵌套聚焦鏡面種類，研制了11種模具。模具直接加工成錐體結構和旋轉拋物體結構，而非Nu?STAR的圓柱體結構；模具表面沒有增加脫模釋放層，但為保證成型后反射鏡面的面型和表面粗糙度，模具需要精修面型和表面拋光，直到玻璃脫模后的反射面粗糙度和面型精度滿足需要為止。

2）材料高溫成型

在成型之前對D263T玻璃進行尺寸粗切，然后將D263T板材同石英模具一起加熱至特定溫度。在高溫成形過程中，嚴格控制成型溫度及退火溫度，防止高溫過程出現析晶、成型過度或成型不足等問題。成型后的反射鏡面進行高溫去應力處理，消除結構內的殘余熱應力，保證反射鏡面具有良好的結構強度和尺寸穩(wěn)定性。

3）超薄曲面玻璃鏡面精密切割

曲面鏡成型之后直接在磨具上精密切割。常規(guī)的玻璃刀或者激光切割都有可能損壞模具，影響模具的重復利用。采用Ni絲熱切割，并施加了冷氣冷卻切割面，成功實現了0.3 mm厚D263T在模具上精密切割，而且切割界面光滑，成品率高。圖4是切割完成之后的拋物面鏡。鏡面的切割精度和端面的光滑度直接決定共焦裝配的效果。

圖4 切割后的拋物面鏡Fig. 4 Parabolic mirror after cutting

4）鏡面鍍膜

為了增加鏡面對X射線的反射率，需要在鏡面表面鍍上一層高原子序數的金屬材料。比較了Au、Pt、Ir、W等金屬材料在不同X射線光子能量下全反射臨界角，選用Ir金屬材料作為鍍層，鍍層厚度30 nm。該膜層厚度既保證X射線的反射率不受影響，也確保膜層在寬溫度范圍內與玻璃結合緊密不脫落。在裝配固化過程中，第一片鏡面經歷了33次從室溫升至90 ℃的高溫固化過程，溫差接近70 ℃，每次固化持續(xù)時間1.5 h，裝配完成的鏡頭經過目檢，鏡面膜層無脫落、隆起等異常情況，顯示鍍膜工藝的可靠性和膜厚設計的合理性。

NFXT掠入射鏡面的熱成型工藝流程，采用了與NuSTAR完全不一樣的技術路線，創(chuàng)新點主要體現在以下2方面：

1）平面玻璃直接成型為拋物面鏡。Nu?STAR是平面玻璃成型為柱面鏡，這樣模具研制的難度小，但后續(xù)裝配工藝復雜、配套設備昂貴、研制周期長。本工藝將平面玻璃直接在模具上成型為拋物面鏡（或者錐形鏡），大幅度降低了嵌套鏡頭的裝配難度，提高了裝配效率。實際裝配過程中，單套NFXT的裝配時間在1周以內就能完成。

2）成型鏡面在沒有釋放層的模具上直接脫模。本工藝采用貼合成型，既保證了鏡面的面型精度，也保留了平面玻璃的粗糙度。測試結果顯示，鍍膜之后的鏡面粗糙度小于0.3 nm（圖5所示，粗糙度為0.2443 nm），這種級別的粗糙度相比電鑄鎳、鋁箔復制等工藝都有提高，能夠降低X射線的散射效應，增強X射線鏡面反射率和能量集中度。

圖5 鏡面粗糙度測量Fig. 5 Roughness measurement of mirror

3 鏡面裝配及集成

嵌套鏡面的同軸共焦裝配是NFXT研制過程中的難點，嵌套層數越多，裝配難度越大。NFXT裝配關鍵檢驗控制點表現在鏡面的切割精度控制、主軸鈦合金的加工精度控制，以及支撐條的結構精度和工裝的加工精度?？刂坪眠@些關鍵部件加工精度之后，以工裝的后端面為基準裝配鏡面，取得了預期效果。

除了共焦之外，NFXT的鏡面厚度僅有0.3 mm，鏡面能否通過航天力學環(huán)境也是需要解決的問題。系統(tǒng)在結構設計上采用了逐層疊加的方式，11層鏡片沿徑向在支撐條的過渡下疊合一起。中心采用鈦軸作為主承力部件，最內層玻璃直接粘在鈦軸上，相鄰2層鏡片間采用碳/碳復合材料支撐條支撐。每片掠入射鏡面背部有6根支撐條，玻璃鏡片和支撐條之間采用Henkel AB膠粘接。力學分析顯示NFXT基頻為287 Hz，玻璃鏡片上最大變形量小于0.2 mm，小于鏡面破碎的形變量。裝配完成的NFXT系統(tǒng)如圖6所示，包絡尺寸（直徑×高度）為200 mm×326 mm，重量4.25 kg。

圖6 嵌套聚焦光學望遠鏡Fig. 6 Nested X-ray focusing optical system

裝配完成的NFXT經歷了隨機振動、真空熱循環(huán)、熱平衡等航天可靠性試驗項目。隨機振動加速度均方根為7g，真空熱循環(huán)溫度范圍?15 ℃～+55 ℃，熱平衡為?100 ℃冷環(huán)境。NFXT順利通過了這些可靠性試驗，驗證了NFXT鏡面研制工藝、結構設計的合理性和有效性，基本具備工程應用的條件。

4 NFXT性能分析及測試

有效探測面積是評價嵌套聚焦X射線望遠鏡性能的一個關鍵參數。根據表1的設計參數，NFXT的最外層鏡面的入口端最大半徑為8.8650099 cm，最內層出口端的最小半徑為2.8788094 cm，所以NFXT的幾何面積為220 cm2。掠入射鏡的鏡面厚度為0.3 mm，11層鏡面占據面積為9 cm2；此外鏡頭前端結構有18根輻條，占據面積32 cm2；鏡面分3個扇區(qū)，扇區(qū)與扇區(qū)之間的縫寬損失面積3.6 cm2。扣除這些面積之后NFXT的凈幾何面積為175 cm2。NFXT的有效面積受鏡面粗糙度和鍍膜材料的反射率影響?？鄢@些影響因素，計算得到NFXT有效面積與X射線能譜關系如圖7所示，NFXT在1.5 keV處的有效面積約為130 cm2。如果選用SDD探 測 器（QE=0.79@1.5keV），NFXT+SDD的系統(tǒng)有效探測面積為102.7 cm2@1.5 keV。圖8是系統(tǒng)有效面積與X射線能量關系。

圖7 NFXT有效面積與X射線能量對應關系Fig. 7 Effective area of NFXT vs X-ray energy

圖8 X射線望遠鏡有效面積與X射線能量對應關系Fig. 8 Effective area of X-ray telescope vs X-ray energy

NFXT的聚焦性能用200 mm口徑的平行光管進行檢測，并用相機采集多幀焦斑圖像（圖9所示），用包圍圓能量分析方法對聚焦光斑質量進行定量分析［36-37］。圖10是焦斑尺寸與包圍圓能量的對應圖。圖像數據分析顯示，EoE=50%時PSF半徑為0.85 mm，EoE=75%的PSF半徑為1.4 mm。理論仿真值EoE=75% 對應PSF半徑為1 mm（如圖3所示），工程樣機焦斑尺寸與理論值的差異在可接受范圍內。目前共研制了4套NFXT，經測試4套NFXT聚焦一致性較好，驗證了鏡面成型、集成裝配等關鍵工藝的合理性和可控性。

圖9 聚焦光斑能量分布圖Fig. 9 Distribution of focused spot energy

圖10 聚焦光斑包圍圓能量分布Fig. 10 EoE of focused spot

NFXT的X射線能譜響應在真空腔內完成。圖11是連續(xù)譜X射線光源測試的能譜響應曲線，探測器選用SDD。NFXT的探測能區(qū)約為1～12 keV，受制于X射線管的低能X射線輻射強度以及探測器窗口吸收，X射線低端能量沒有延伸到0.2 keV。

圖11 嵌套聚焦光學系統(tǒng)及SDD探測器對X射線的能譜調制Fig. 11 X-ray energy spectrum modulation by nested focusing mirrors and SDD

用X射線波段測試了NFXT的視場角。圖12是4.5 keV（Ti靶）的X射線測試結果，視場約為。1.5 keV（Al靶）測試NFXT的視場角為±13 arcmin。較低能量的X射線視場角會變大，這與X射線的反射理論一致，因為能量越小，臨界角越大。視場角測試結果展示了嵌套聚焦光學對X射線具有良好的準直效果，這種特性對在軌運行時降低本底干擾、提高信噪比作用顯著，這是準直型探測器僅依靠結構屏蔽難以達到的結果。

圖12 聚焦光學系統(tǒng)視場測試Fig. 12 Field of view measurement of focusing optical system

5 結論

1）優(yōu)化設計了一套緊湊型、大面積的嵌套聚焦型X射線望遠鏡光學參數。采用8層錐形反射鏡+3層旋轉拋物面反射鏡嵌套組合的光學結構，既實現了小焦斑，又降低了研制成本和研制難度。優(yōu)化設計后的望遠鏡幾何220 cm2。

2）成功探索出基于輕質平面玻璃的X射線掠入射反射鏡研制工藝。包括超光滑拋物面反射鏡和錐形反射鏡直接熱成型工藝、基于鎳絲的精密熱切割工藝、大面積均勻性鍍膜工藝等，研制的掠入射反射鏡鍍膜后粗糙度小于0.3 nm（rms），優(yōu)于電鑄鎳和鋁箔復制等工藝的鏡面粗糙度。

3）突破了多層嵌套掠入射反射鏡的同軸共焦裝配工藝，研制了一款輕量化、大面積NFXT。NFXT有效探測面積130 cm2@1.5keV，軸上視場聚焦光斑半徑0.85 mm （EoE=50%），能譜響應范圍0.2～12 keV，包絡尺寸（直徑×高度）為200 mm×326 mm，重量4.25 kg。

NFXT經歷了隨機振動、真空熱循環(huán)、熱平衡等航天可靠性試驗項目，基本具備衛(wèi)星工程應用的條件。相比電鑄鎳工藝，基于平面玻璃熱成型工藝可以顯著降低X射線望遠鏡的重量和研制成本，不僅可以為脈沖星導航提供先進技術支撐，也為X射線天文學打開新的技術窗口。

致 謝

感謝中國科學院光電技術研究所程云濤研究員、范永濤高工等在鏡面研制方面的付出；感謝山東航天電子技術研究所張玉兔研究員、劉勇研究員、胡慧君研究員以及李文斌高工等在工程化推進、性能測試等方面的工作。