基本信息
- 项目名称：
- 月基三波段共孔径太阳望远镜
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 太阳对地球气候、人类健康及航空航天、通讯等方面的活动具有强烈和深远的影响，世界上在紫外、可见光、红外波段对太阳成像的仪器在近年均得到迅速发展，然而目前对多个波段共孔径成像技术尚属空白。 本作品实现了利用同一个光学系统，在扩展波段（紫外、可见光、长波红外）上对太阳同时成像。月基工作环境的设计，避免了大气对紫外光线的吸收和散射。前置光学系统采用双反射式，避免了长波红外用锗和紫外光用石英玻璃材料的限制。两片反射镜和可见光CCD、紫外CCD、红外探测器组成分光系统，实现了对紫外、可见、长波红外光的分光。考虑空间发射环境和月球平台长期工作要求，作品原理样机采用一体化设计，简化了调整过程，满足外空间环境工作需要。
- 详细介绍：
- 太阳对地球气候、人类健康及航空航天、通讯等方面的活动具有强烈和深远的影响，自古以来人类就观察太阳，近年，随着空间技术的发展，对太阳观测迈进了新阶段。太阳紫外、可见、红外三波段的光，均显示了太阳某一方面的活动信息，缺一不可。然而红外、紫外和可见光用同一个光学系统成像的太阳望远镜仍属技术空白。我们的作品，实现了太阳三波段共孔径成像。 作品系统设计有三个特点：一、前置光学系统采用双反射式，红外波段无需使用锗材料，紫外波段无需使用水晶或石英玻璃，避免了不同波段对玻璃材料的不同要求，仅用常规光学玻璃即可满足技术要求。二、两片反射镜和可见光CCD、紫外CCD、红外探测器组成分光系统组成分光系统，科学地实现了对紫外、可见、红外光的分光，满足了三波段共孔径的设计要求。三、机械结构设计方面，考虑空间发射条件和月球平台长期工作，要求系统结构简单，不易变形，可靠性高。作品原理样机使用了铝合金材料，采用了数控铣、线切割等先进加工技术，实现了光学元件夹持固定一体化的理念，简化了调整过程，满足外空间环境工作需要。 创新点： 1.用一个前置光学系统满足可见、紫外、长波红外光成像要求。 2.两个反射镜构成了三波段分光系统，利用可见光CCD探测器、紫外光CCD探测器、红外热探测器对三波段分别成像。 3.月球环境光信号源模拟器。将模拟器与望远镜置入真空室，观察可见、紫外、长波红外光的图像，实现了短波紫外调试工作，体现了调试试验与工艺的完备性。 主要技术指标：观察波段: 可见:400-700nm 红外：8-12μm 紫外：100-380nm 焦距:277.3mm 口径:75mm 角分辨率:1.9″线分辨率:2335.6km 半视场角:15.99′重量:2kg 尺寸：270×150×90mm
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 太阳对地球气候，人类航空、航天、通讯、农业等方面的活动均具有影响。近年来，随着空间技术的发展，对太阳的研究跨进了新时代。但红外、紫外和可见光三波段用同一个光学系统成像的太阳望远镜仍属技术空白。我们在我国登月计划的影响下，选择了这一科技前沿课题，以挑战杯的精神迎接挑战。 作品本着“原创性、可实现性、低成本”的原则，突出技术创新，以光学、机械知识为基础进行了设计，并装调实现，提出利于月面工作的特殊设计思想。 系统设计特点:一、前置光学系统采用双反射式，避免了长波红外用锗和紫外光用石英玻璃材料的要求，仅用常规光学玻璃即可实现。二、两块反射镜实现了对紫外、可见、长波红外光的分光。三、考虑空间发射条件和月球平台长期工作要求，系统结构简单，可靠性高，体现了光学元件夹持固定一体化的理念，简化了调整过程。 创新点：1.用一个前置光学系统满足可见、紫外、长波红外光成像要求。2.两个反射镜和可见光CCD探测器、紫外光CCD探测器、红外热探测器构成了三波段分光系统。3.月球环境光信号源模拟器。将模拟器与望远镜置入真空室，观察可见、紫外、长波红外光的图像，实现了短波紫外调试工作，体现了调试试验与工艺的完备性。 主要技术指标：观察波段: 可见:400-700nm 红外：8-12μm 紫外：100-380nm 焦距:277.3mm 口径:75mm 角分辨率:1.9″ 空间分辨率:2335.6km 半视场角:15.99′ 重量:2kg 尺寸：270×150×90mm
科学性、先进性
- 本作品在深入分析对日探测的需要的基础上，选择紫外、可见、红外三个波段作为观察波段；经查阅国内外参考文献，发现红外、紫外和可见光共用一个光学系统成像的太阳望远镜仍属技术空白，于是我们选择这一科技前沿技术作为研究课题。经过对地基、天基、月基观察的优缺点的比较，结合国家登月计划，选择月球作为平台。 作品前置光学系统采用双反射式，避免了远红外用锗材料和紫外光用石英玻璃材料的限制，仅用常规光学玻璃即可实现。利用两片反射镜和可见光CCD探测器、紫外CCD探测器、红外热探测器实现分光，对太阳紫外、可见、红外三波段共孔径成像。作品机械结构设计体现了光学元件夹持固定一体化的理念，体积小、重量轻、装调简便的优点满足月基要求。模拟试验利用真空环境模拟月基环境，利用光源和凹面反射镜形成平行光模拟太阳，试验结果真实反映月基环境下对日成像，并体现了测试方法、工艺的先进性。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 走出实验室，进入实地测试阶段
技术转让方式
- 协商定
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片、视频、样机
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品定位于月基观察，通过同一个前置光学系统对太阳的紫外、可见、红外三波段进行成像。多波段共孔径的设计满足了对日多个波段同时观察的需要，获得的信息全面、完整，双反射式前置光学系统避免了红外、紫外光学材料选择和加工的困难。两反射镜和三种探测器构成的分光系统将三种波段范围的光线分离，实现了三个波段共孔径成像。月基设计避免了地球大气对太阳光线的选择性吸收和散射，保证能同时观察到三波段所成像。模拟试验有力论证了作品进行月基观察的可行性。 本作品多波段共孔径的设计与现有技术单波段或者多波段分离孔径太阳望远镜相比，三个波段信息相辅相成，更为全面、可靠。作品通过在多个波段对太阳成像，在预测太阳活动、避免太阳活动给地球和人类带来的灾害方面具有广阔的应用前景。经合理推广利用，可以有效减弱太阳活动爆发对国家航空航天、通讯等领域可能造成的重大损失，减轻人类健康受到的太阳活动的伤害，具有重大的潜在经济效益和社会效益。作品稍作改变可用于对其他星体的多波段共孔径成像，将推进天文领域的多波段成像技术发展。
同类课题研究水平概述
- 二十世纪六十年代之前，太阳望远镜均为地基望远镜。由于地球大气吸收和散射了大部分紫外和远红外光线，对太阳观测波段范围限制在可见光和红外波段。近五十年来，随着空间技术的发展，太阳望远镜得以搭载在飞行器上远离地球大气，对太阳成像波段范围扩展到包含紫外之内的其他波段。 1960年3月，美国发射了世界上第一架探测太阳的飞行器Pioneer-5，标志着太阳望远镜由地基向天基转变。随后美国于1960年6月～1976年3月共发射成功10颗SOLRAD系列卫星，对太阳X射线和紫外辐射进行整个太阳活动周的连续监测和提供实时数据。1962年3月到1975年6月，美国发射了OSO系列卫星，得到了远紫外太阳单色像。美国1973年5月发射的Skylab搭载了远紫外线和X射线照相仪，得到耀斑发展过程中不同时刻的图像。美国1980年2月发射的SMM卫星，搭载有X射线探测器，主要是进行太阳活动尤其是对耀斑的观测。美国斯坦福大学和Livermore国家实验室研制的发射于1991年5月的MSSTA系列，搭载了紫外、X射线范围的多个探测器。 随着对太阳活动认识的深入，单纯对紫外波段成像的望远镜已无法满足需求，对太阳多波段探测的飞行器逐步研制发射。欧洲航天局及美国太空总署共同研制的于1995年发射的SOHO，实现了对太阳紫外、可见光成像。美国1998年发射的TRACE，前置光学系统采用卡塞格林系统，实现了对太阳紫外四个波段的成像。由日本、美国和英国及欧洲其他国家联合研制的SOLAR-B，对可见光、X射线、极紫外光成像。 中国太阳望远镜发展起步较晚，但在近年迅猛发展。我国怀柔太阳观测基地的多通道太阳望远镜，由五个不同功能的望远镜组成，同时用14个CCD接收，是我国独创、世界唯一的，能同时测量太阳上不同层次、不同尺度视频矢量磁场、速度场，以及通过光谱扫描获得光谱线轮廓和Stokes参数轮廓的综合望远镜。中国、法国联合研制的计划于2013年发射的太阳爆发探测小卫星，将首次通过远红外线进行太阳观测，还将对紫外日面成像和紫外近日冕成像、远红外日面成像。 可见，国内外同类课题的研究水平尚存不足：为了实现对太阳多波段成像，只能通过多个光学系统，对太阳多个波段一一成像，不能实现多波段共孔径成像。对太阳紫外、可见、红外三波段共孔径成像技术尚属空白。我们的作品，从设计思想和技术上弥补了这一不足。
