詹姆斯韦伯天文望远镜JWST调研报告docx.docx

1、詹姆斯韦伯天文望远镜JWST调研报告docx詹姆斯韦伯天文望远镜(JWST )调研报告下一代哈勃天文望远镜1.JWST 概述JWST/NGST计划是美国NASA、欧洲ESA和加拿大CSA正在合作进行的 空间天文望远镜计划。JWST/NGST预计于2014年发射，将成为HST的继承者。 JWST 将发展和验证多项大口径空间望远镜技术的重大创新。NGST(Next Generation Space Telescop)e “下一代空间望远镜”在 1989年提 出，NASA在1995年开始组织先期论证和预研究。2002年9月10 日，NASA 宣布将NGST命名为JWST,以James Webb这位阿

2、波罗登月计划领导人也曾任 NASA 首席执行官的名字为“下一代空间望远镜”的冠名。JWST 的研究理念是：在哈勃的基础上应用更先进的技术，口径应该是哈勃 的 34倍，造价要降到哈勃的 1/41/5。在经过 A 项研究后， JWST 现已转入 B 项研究，研制工作已经全面开展。JWST等效口径6.5m,集光面积25m2，探测谱段覆盖从0.628阿，工作温 度低于35K。JWST工作在L2轨道，距地球150万km，可以排除地球对JWST 的温度影响。一个有网球场面积大小的遮阳板在空间拦截太阳对 JWST的直接照 射。2.JWST 主要参数(1)轨道：1.5*106km, L2 轨道(2)预期寿命：

3、 510年(3)有效载荷总质量：约 6200kg(4) 主镜：等效6.5m，有效集光面积25m2，18块六角形镜面拼接，折 叠发射，在轨展开成形(5) 光学分辨率：0.T,在入=2000nm达到衍射极限成像(6)探测谱段： 60028000nm(7) 探测仪器：近红外和可见段相机(NIRCam)、近红外多目标色散光 谱仪(NIRSpec)、中红外相机和光谱仪(MIRI)以及精密指导传感器(Fine Guida nee Sensor , FGS)(8)遮光板： 22m*10m 在轨展开(9)望远镜工作温度：50K(10)预算：8.25亿美元3.JWST各子系统组成JWST主要由主光学望远镜系统(

4、Optical Telescope Element, OTE)科学仪 器(Science Instrument Module, ISIM )和太空船(Spacecraft Element, SE 三部 分组成。JWST observatory segme nt3.1.JWST之OTE子系统JWST主光学望远镜光学设计是三反射镜消像差系统，等效 6.5m 口径，系统焦距108m，焦比F/16.67.主镜轻量化达到1015kg/m2，主镜自身重量不超过 400kg。主镜由18块对角距离1.5m的六角形镜面拼接而成，折叠发射，入轨展 开，并在波前探测系统监视下调整入位，达到 18块子镜的共相。主望远

5、镜在轨运行后平均每两个星期需要做一次主镜及光学系统的准直 /共相调整。望远镜将瞄准一颗亮星作为检测光源，波前探测器与变形镜、主镜每一块子镜的三维促动 调整机构以及次镜的6维调整机构构成闭环控制，实现望远镜光学系统在轨的准 直调整和共相。望远镜出瞳上装有快速摆镜，用于高精度在轨图像稳定和方位补 偿。主望远镜在轨工作温度40K，将采用大面积遮阳板和被动制冷达到环境温度 要求。OTE . ISIMV3 但 nt 卜 spacecraft)(VI, V3)originSecondary mirrorCassegrain focusFineSteering MirrorFocalSurfacePrima

6、ryMirrorf/#: 20.0Effective Focal Length: 1314 mPM diameter = 6,6 m (circumscribed cirde)图：JWST主光学系统光路图7NIRCami which13iiwnNIRSpec图：OTE焦面上对应于各有效载荷的成像区域分布图Second a ryM irror support & baffleFolding secondary mirror support strutGlare StopPrimary M i rror Segment . (1 of 18) /Aft Optical A Sub$ystem (T

7、ertiary mirror & fine steering mirror) /Primary Mirror BackplaneDeploymentMotor图：JWST主光学系统结构图OTE Clear Aperture! 2$ m3A什 Op”亡却密uitazys連mBackPlan-sLight-weighled. rigid Se rrirrcw Hexapod actuator Slray I中IM Uaffl*151M E FIGlgLH UPirnaT 初 i*rq SugjjmciU AMUimbliE 卩補$闯窖色contl曲i丫 Mhiroi图：JWST各子系统结构示意图3

8、.2.JWST之ISIM 子系统四大科学仪器的安装位置和组成如下图所示:图：ISIM安装位置图IFUspectmcopy图：ISIM由四个有效载荷组成（1）近红外和可见段相机（NIRCam）NIRCam成像光谱覆盖范围6005000nm；成像视场2.16*2.16 ，相机用 一个光谱分光片分短波段 6002350nm光路和长波段23505000nm光路, 短波段光路像元分辨率0.0317,长波段光路像元分辨率0.0648。Pick-off Mirror SiibascniblvCorona errtph ElcuicntsFirst Fold Mirror SubaiSHiiijlyLongw

9、ave Filter Wheel Assembly - ELeiuentB - Collimarai Triple!SubaiseuiilyDichroicBeamsplitterTripier 一SubassemblyLongwave Focal .Plane Houuig FoldMiirof-SliortTtve FilterWheel Assenjibly ElementsSbortwgYie TripletSnlMisemblyShomvnve FocalPlane Housing Fold XI iirarSliorrwzii e FoldMinorPupil Len%图：近红外和

10、可见段相机（NIRCam）（2）近红外多目标色散光谱仪（NIRSpec）NIRSpec敏感光谱段10005000nm,用3个光栅实现光谱分光，光谱分辨能力R=100(3)中红外相机和光谱仪(MIRI)MIRI 相机敏感波段 500028000nm,成像视场 1.88*1.27; 500010000nm 和1000027000nm分段光谱仪，光谱分辨能力 R=300,视场3*3；500010000nm段狭缝光谱仪，光谱分辨能力 R=100图：中红外相机和光谱仪(MIRI)(4) 精密指导传感器(Fi ne Guida nee Se nsor, FGSopticsFGS provides imag

11、ery for telescope poin ti ng con trol & imag ingspectroscopy to reveal primeval galaxies and extra-solar pla nets.PKItJOFF MIFKiJFrtfTFTTi A5SFMRI -图：精密指导传感器(FGS)33 JWST之SE子系统JWST太空船(Spacecraft Element, SE)主要包括天线，太阳能电池阵列和JWST将采用Ariane 5作为运载火箭。其空间尺寸设计和质量指标都以其作标准。Ariane 5火箭可运载的质量为6600 kg，最大运载载荷尺寸为4.5

12、m x 15.5m。为此，JWST采用了拼接式主镜和可展开的空间遮阳板结构。其质量为 6530kg，尺寸为4.47 m*10.66 m。其展开和折叠状态分别如下图所示：Deployed Configuration Stowed ConfigurationJWST展开状态以及折叠状态的空间尺寸5. JWST关键技术JWST开展了多项关键技术攻关和验证，主要包括拼接式主镜单元研制、折 叠反射镜展开验证、低温主动光学望远镜集成和测试装置，遮阳板空间展开及热 控空间验证等。以JWST拼接式主镜单元研制为例，NASA和DOD (美国国防部)在1996 年出资3000万美元用于支持JWST主镜系统技术攻关

13、项目AMSD(The Advaneed Mirror System Dem on strator )。AMSD要完成3个子镜单元的组合，并在低温、 真空条件下检测。作为关键技术攻关，该研究具有难度大，时间周期长等特点。 JWST主镜单 元系统的技术要求随着研制过程的进展也有过一些变动。 以1996年为例，JWST 的主镜指标与其他天文望远镜的相比如下：1996 JWST Optical System Requireme nts State of ArtParameterJWSTHubbleSpitzerKeekLAMPUnitsAperture82.40.85104metersSegme nt

14、edYesNoNo367Segme ntsAreal Den sity20180282000140kg/m2Diffraetio nLimit20.56.510ClassifiedmicrometersOperati ng Temp503005300300KEn vir onmentL2LEODrift GioundVacuumEn vir onmentSubstrateTBDULEI-70ZerodurZerodurMaterialGlassBeArchitectureTBDPassivePassiveHexapodAdaptiveCon trolFirst LightTBD19932003

15、 19921996First Light而随着研究镜子加工和支撑等技术的发展，并考虑到承受发射负载， JWSTHST OTA420 kg/ht2- HST Pit* HST PKJLAMP.-JWSTOTAALOT , b.一 - JWSTPMASIRTFf 1 JWST PMSA = Demonstrated Hardware/ o 2 A 6 & 10 12Mirror Diameter in Meters主镜指标做了相应的调整。2008年，其主要技术指标如下图所示：刊ulttN三A澄诵匸住aHsd2008Primary Mirror Time & CostHST (2.4 m)1 m2/

16、yr$12M/m2Spitzer (0.9 m)0.3 m2/yr$12M/m2AMSD (1.2 m)0.7 m2/yr$5M/m2JWST (6.5 m)5 m2/yr$6M/m2Note: Areal Cost in FY08 $最终，JWST的主镜单元系统技术要求为：目前，在经过Ball、Goodriche以及Kodak三家公司的不同研制方案比较和 论证后， JWST 现采用 Ball 公司研制的主镜单元系统。该系统中反射镜采用铍 (Beryllium )材料进行轻量化加工制得半刚度反射镜。 其优点是反射镜入轨后所 需要的面形纠正量很小。(1) 主动光学控制的拼接式主镜，等效通光口径 6.5m(2) 敏感光谱段15呵，扩展使用光谱范围0.630即(3) 面形精度在波长2 g达到衍射极限(4) 工作温度3060K(5) 轻量化指标：面质量密度小于15kg/m1 2 3 4 5