射电天文学中的自由曲面光学
参考项目
安装在小型卫星上的高分辨率自由曲面镜，用于分析射频信号
除了可见光，无线电波还可以用于研究天体和宇宙现象。射电天文学提供了对恒星、气体云和其他以无线电频率发射的宇宙结构的深入了解。ANSER是一项立方体卫星任务，旨在捕捉和中继来自无线电波的地球表面高清图像和数据。Zerodur需要为这些紧凑型卫星制作两个高精度自由曲面光学元件，这一任务由艾斯飞睿承担。
项目总览
由INTA（西班牙国家航空航天技术研究所）承担的立方体卫星任务ANSER（用于空间探索和射电天文学的先进纳米卫星）是空间探索和无线电天文学的开拓者。ANSER需要利用CubeSats（标准尺寸的非常小的立方体卫星）来实现目标。它们的标准化和小型化使开发和空间部署具有成本效益。这些立方体卫星配备了尖端的射电望远镜和接收器，旨在研究宇宙现象和发射无线电波的天体。由于地球大气层部分阻挡了来自太空的无线电辐射，ANSER为更清晰、更详细的观测铺平了道路。另一个关键应用是地面观测。立方体卫星可以捕捉和传输地球地形的高清图像和数据，这些数据对环境监测、灾害应对和农业等部门具有巨大潜力。由于立方体卫星的紧凑性和成本效益，ANSER为太空探索开辟了新的可能性。
该倡议计划于2023年9月发射，涉及一个由三颗纳米卫星组成的集群。他们的目标是评估伊比利亚半岛水库和湿地的水质。这些卫星将以近距离编队飞行，相距约10公里，并作为一颗卫星协同工作。有效载荷将在三个立方体卫星之间共享。分布式姿态控制将用于消除任何错位，并确保没有卫星丢失。
项目执行
卫星的紧凑设计需要一个非常小的光学系统来匹配。它不是在轴上工作，而是在其视野范围外的两个对称点上工作。考虑到光学元件既要小型化，又需要广阔的视野，不能单独采用纯球面镜或非球面镜，因此艾斯飞睿介入到项目中，负责生产两个由Zerodur设计的高分辨率自由曲面光学元件。这些光学元件同时满足系统尺寸和表面质量的要求。在400至750 nm的光谱范围内工作，每个光学元件的直径为18.4 mm。生产这些自由曲面镜是一项非常具有挑战性的工作，尤其是所需的低不规则度（目标IRR:1.5 fr）。尽管如此，艾斯飞睿利用MRF抛光方法以及在自由曲面镜生产方面的丰富经验，成功克服了这一挑战。艾斯飞睿设计了一种独特的亚孔径抛光方法，包括沿自由曲面进行刀具遍历的定制编程。将其与先进的2D测量技术和自动校正算法相结合，可以获得比所需更好的不规则度（内部收益率在0.8到1.0 fr之间），并在功率（0.3到0.6 fr）和表面粗糙度（Rq 0.7到1.3 nm）方面取得令人印象深刻的结果。
自由曲面光学的几何描述和规范
- 材料：ZERODUR微晶玻璃
- 直径：18.4 mm
- Tc:14 mm，边缘轮廓用于小型卡塞格伦望远镜的调整
- 使用光学探针的2D全面积测量获得并验证功率（0.3–0.6 fr）和内部收益率（0.8–1.0 fr）测量值
- Rq: 0.7–1.3 nm
- 左图显示了制造的光学元件
INTA光学概览
- 生产两种自由曲面光学元件，用于400–750 nm的光谱范围。
- 具有基本半径、圆锥常数和Zernike项的自由曲面，最高可达9阶
- 开发一种特殊的亚孔径抛光技术，并将高分辨率2D测量技术与自动校正算法相结合，用于制造和测量高分辨率光学表面
