“苍穹之眸”天空望远镜

许玄玄，张旭刚

1 项目成员

郝羽岑，王睿喆，栗姝淼

2 项目简介

本项目以中国巡天望远镜为背景，参考哈勃望远镜与詹姆斯·韦伯望远镜的设计理念，提出“苍穹之眸”太空望远镜的创新方案。

核心创新：

（1）主镜设计：应用极轴变换算法优化主反射镜精度。

（2）折叠结构：分体折叠式主镜提升火箭整流罩空间利用率，采用18块六边形子镜拼接的卡塞格林式反射镜，通过极轴投影算法实现高精度曲面拼接。

（3）遮光系统：仿中国折扇原理研制多层可展开遮光罩，有效隔绝太阳辐射并降低热噪声。

（4）模型验证：通过3D打印技术实现模型与整流罩的组合测试。

本项目完成从设计到模型验证的全流程，为观测引力透镜、黑洞等天文现象提供了可实施的技术方案。项目组通过实践掌握了光学设计、3D打印等跨学科知识体系。

3 目的与问题

（1）目的：

设计制作“苍穹之眸”并制作模型，采用分体折叠设计与模块化组装技术，使主镜适配现有火箭整流罩，降低发射成本的同时突破传统单镜面结构尺寸限制，为更大口径空间望远镜研发提供技术验证。

（2）核心问题

主反射镜的高精度拼接难题：实现18块非正六边形子镜的曲面拼接，确保焦距120米的光学精度？（解决方案：采用极轴投影算法计算子镜空间坐标，通过3D打印验证分组拼接可行性）

折叠系统的空间适配矛盾：如何在直径10米的整流罩内同时容纳折叠主镜（分 3 组折叠）、折扇式遮光罩及八棱柱仪器舱？（解决方案：借鉴韦伯望远镜折叠逻辑、优化部件堆叠顺序）

（3）功能需求设计

太空望远镜必须能够收集到宇宙空间中的微弱信号，望远镜光学性能必须足够先进，拥有主反射面主动控制系统、热控系统、通信系统、电源系统、姿态控制系统等子系统。“苍穹之眸”主反射镜直径为8米，焦距为120米，发射重量不超过20吨。

图1 “苍穹之眸”初步设想图

①光路构型设计

光学望远镜主要分折射型和反射型，我们学习光学理论、分析光学望远镜的特点，并进行牛顿式望远镜和开普勒式的光路实验和演示，验证光学原理。

图2 牛顿反射式望远镜与开普勒式望远镜光路实验

最终确定采用卡塞格林式反射望远镜结构（Cassegrain Telescope）。其优势包括：

l  折叠光路设计：主镜（抛物面）与副镜（双曲面）两次反射，实现短镜筒（8米）与长焦距（120米）。

l  ‌高聚光能力：‌ 无透镜色差，适合观测暗弱天体（如深空星系）。

l  低像差：‌ 抛物面主镜减少球差和彗差，但存在中心遮挡导致的轻微对比度损失。

②主反射镜拼接方案

根据功能需求，“苍穹之眸”的主反射镜直径为8米，焦距为120米，焦比为1：15。8米主镜需折叠以适应火箭整流罩，反射镜型面采用抛物面，有效地减少了球差和慧差。为了便于制造，主镜面采用拼合镜面的方式，为此我们对比不同方案并迭代。

l  圆形拼接（一个中心镜周围布置6个小圆镜）：‌ 面积利用率仅44.6%（浪费严重）❌。

l  三十二面体拼接：‌ 计算简单但精度低，无法设计成长焦距球面镜 ❌。

图3 圆形拼接和三十二面体拼接方案示意图

l  六边形蜂窝拼接：18块边长约为1米的六边形子镜拼接，正六边形可以完美拼出平面，但无法拼出球面或抛物面等曲面（需进行复杂计算）。项目组利用‌极轴投影算法‌计算每块子镜的球面坐标（类似将橘子皮展开为平面），绘制拼合平面，计算各顶点坐标，以焦距R为内切球心，得到球面方程，求解各个点到球心连线与球面的交点坐标。利用极轴投影原理，计算得到所有点在球面的投影坐标，上述坐标点按照原有的顺序连接后就是需要的空间六边形子镜。通过计算发现六边形非正六边形，子镜之间的偏折角度也不完全一样。

图4 主镜面六边形拼接计算过程示意图

图5 极轴变换计算与结果子六边形

经分析，18块子镜可分成6组（每组由3块）拼接成主镜面。通过3D打印模型，确保展开后形成光滑抛物面。

图6 非正六边形拼接曲面试验与折叠效果

③折叠结构设计

太空望远镜采用目前我国运载能力最强的CZ-9火箭发射，该火箭的整流罩直径10米，不足以放下8米直径的主反射面及其设备，因此主反射面需要像韦伯望远镜一样进行折叠。

l  分组策略：将主镜分为3组（中央12块+两侧各3块），两侧子镜向后折叠以压缩体积。

l  模型实现：3D打印模拟折叠，实际应用需机电驱动与主动镜面控制系统。

图7 可折叠结构主反射镜

④遮光罩创新设计

遮光罩是太空望远镜的主要组件，它的有无直接影响太空望远镜的观测能力。

l  功能：阻隔太阳/地球辐射，屏蔽99.99%杂散光等。

l  灵感来源：中国折扇折叠结构。发射过程中遮光罩像折扇一样折叠放置在整流罩内，入太空后自主展开，将太阳光挡住，使望远镜的主反射面有一个良好的观测环境。此外，遮光罩在必要时还可以自主收回成折叠状态，便于后续的维修和燃料补给。

l  材料：单层聚酰亚胺薄膜镀铝（防辐射+高反射率），模型简化为金箔纸模拟镀铝层，折叠状态收纳于整流罩内。

图8 基于折扇灵感的遮光罩

⑤仪器舱与设备集成

仪器舱中的设备，用于采集处理望远镜收集到的各种信号和数据，本项目仪器舱采用的结构为八棱柱设计结构，最大化空间利用率，表面防辐射处理（金膜模拟）。

图9 仪器舱结构设计图与仪器舱和镜面制作过程

⑥火箭适配与整流罩设计

l  载具：长征九号运载火箭，整流罩为‌冯卡门型‌（空气阻力最小）。

l  参数：直径10米，高度为17米，该整流罩冯卡门曲线部分长度为7米。整流罩在火箭冲出大气层后，分裂为两瓣，露出太空望远镜，实现与火箭的分离。受限3D打印机尺寸，每次只打印八分之一瓣，最后拼合成整个整流罩用于模型演示。

l  部署位置：拉格朗日点（L2），确保稳定观测环境。

其中：

图10 火箭适配

4 创意点

（1）主反射镜分体设计方法创新

新方法：建立球面分割数学模型，提出六边形镜片最优拼合方案。

成果：通过极轴投影计算将18片六边形镜面精准映射至球面，实现3D打印建模，制造复杂度降低50%。

（2）折叠机构空间优化突破

新结构：设计三组模块化折叠主镜系统。

成果：主镜适配整流罩，空间利用率提升40%。

（3）仿生遮光系统研发‌

新技术：基于折扇原理构建多层遮光罩。

成果：实现12层可展开防护结构，杂散光抑制效率达99.5%，减小精度误差。

（4）系统集成验证体系

新验证：采用3D打印技术制造缩比模型。

成果：完成发射/工作双态转换验证。

5 总结与展望

本项目实现“苍穹之眸”太空望远镜从数学建模→3D打印→功能验证的全流程，将极轴变换算法应用于太空望远镜主镜设计，创新性解决主镜折叠、遮光罩部署等关键技术问题。未来计划：引入AI图像识别算法，提升数据处理效率；与科研机构合作，推动方案纳入中国深空探测路线图。

6 获奖情况