门 涛，徐 蓉，张荣之
(西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室，西安 710043)
摘 要：介绍了光电望远镜试验平台的研究现状，对地基、天基、机载、气球平台望远镜的性能与特点进行分析和总结。大口径光电望远镜的观测质量受地球大气湍流和大气吸收的影响，有其极限探测能力，而大部分大气扰动发生在大气最底层的对流层。平流层飞艇光电望远镜不受对流层大气扰动的影响，其分辨力可显著提高。在此基础上提出平流层飞艇光电望远镜发展需突破的关键技术，涉及材料、控制、能源、高能物理、光学技术等方面。 关键词：平流层；飞艇；光电望远镜；空间目标探测
中图分类号:V274 文献标识码:A 文章编号:1673-5048(2010)03-0057-04
Key Technology Analysis of Stratospheri c A i rshi p
Photoelectri c Telescope
MEN Tao,XU Rong,ZHANG Rong2zhi
(State Key Laborat ory of A str onautic Dyna m ics,Xi’an Satellite Contr ol Center,Xi’an710043,China)
Abstract:Phot oelectric telescope p latf or m s on earth,in s pace,aboard air p lanes and ball oons are in2 tr oduced.The perf or mances are analyzed and the characteristics are summarized.I m age quality of big ap2 erture telescope is li m ited by at m os pheric turbulence and at m os pheric abs or p ti on.Most turbulence occurs in the tr opos phere,the l owest secti on of the at m os phere.So the angular res oluti on of strat os pheric airshi p phot oelectric telescope could be greatly i m p r oved.The key technol ogy of strat os pheric airshi p phot oelec2 tric telescope deal with material,contr ol technol ogy,energy s ources,high2energy physics,op tics,etc. Key words:strat os phere;airshi p;phot oelectric telescope;s pace target detecting
0 引 言
自17世纪伽利略发明天文望远镜以后，为提高其观测能力，望远镜口径在不断增大；然而望远镜口径越大，制造工艺越复杂，并且大气湍流的动态干扰对光学测量有影响。无论多大口径的光学望远镜通过地球大气进行观察时，限制于大气湍流，其分辨力并不比0.1～0.2m的望远镜高[1],
收稿日期:2009-11-22
作者简介：门涛(1982-)，男，陕西渭南人，助理工程师，研究方向是光学测控技术。因此地基望远镜有其极限探测能力。而大部分大气扰动发生在大气最底层的对流层，平流层飞艇光电望远镜不受对流层大气扰动的影响，故其分辨力可显著提高。
平流层飞艇借助于平流层稳定的气象条件和良好的电磁特性，具有长滞空时间(与飞机、导弹相比)和高分辨率(与卫星平台相比)等优点，在空中预警、侦察、通信、遥感等领域具有广阔的应用前景和发展潜力[2-4]。
本文研究平流层飞艇光电望远镜试验平台的技术现状，提出发展中面临的问题和需解决的关键技术。
2010年第3期2010年6月
航空兵器
AERO W E AP ONRY
2010No.3
Jun.2010
1 光电望远镜实验平台研究现状
1.1 地基平台望远镜
地球大气对天文观测的影响主要有两个方面。第一，大气对光有衍射效应，一个点光源经过大气以后会变成一个衍射斑，大气衍射效应大大降低了地面望远镜的分辨能力；而地球大气的湍流作用使光的球面波前发生变化，波前的一些部分在不同程度上被减慢了，从而使像发生畸变；第二，地球大气中的臭氧对紫外辐射有强烈的吸收作用，大气中的水汽又能吸收大部分红外辐射，因此地面光学望远镜的观测波段受到很大限制[5]。
为了克服地球大气对天文观测的影响，出现了自适应光学系统，其目的就是通过恢复波前的球面形状来消除大气湍流影响，从而极大提高了望远镜的分辨力。但自适应光学也有一些难以克服的困难：改正图像的光学系统很复杂，镜面越大，越复杂，越难做。同时也必然会损失部分望远镜捕获来的光。自适应光学的另一个限制是能作改正的视场较小，而且分辨率越好，自适应光学工作的范围就越小。同时，自适应光学系统无法完全消除地球大气湍流的影响，其观测受到光污染、云团、阴霾、恶劣天气的影响，观测时间受限。
1.2 天基平台望远镜
1990年4月24日，主镜口径为2.4m的哈勃望远镜由“发现者”号航天飞机送上了距离地面600km的太空轨道。
其最大的缺点是价格昂贵，从设计到发射耗资20多亿美元。其次，望远镜在太空受太阳直射和处在阴影中造成的冷热交替的环境，使镜面变形，降低了图像质量。400～600k m的低轨空间中存在的剩余气体分子和尘埃对太阳光也会造成衍射，在地球阴影区也会受到月光的影响。望远镜由于距离地球较近，使观测视场受到限制。最后，望远镜与空间碎片碰撞的几率每年都在增加。综合以上因素，哈勃望远镜的观测时间只有地基望远镜的三分之一。
1.3 机载平台望远镜
1974年,NAS A的Kup ier A irborne Observat ory (K AO)使用C-141A货机装载一台口径为91.5 c m的卡萨格林望远镜进行了首次机载望远镜红外观测，飞行高度12000m，此飞行高度在85%的大气分子之上，不受天气影响，避开了99%的能吸收红外辐射的水分子。飞机以800km/h的速度飞行，飞行时间6.5h。飞机通过压缩空气轴承和磁场导引系统最大限度地消除了机身振动的影响，但由于受到机身观察窗口的限制，望远镜观察视场受到极大限制，如图1所示[6]
。
图1 K AO的机载望远镜试验系统
1991年,Strat os pheric Observat ory f or Far-I n2 frared A str onomy(S OF I A)使用波音747飞机转载一台重8吨、短焦距、2.5m口径的望远镜进行了观测试验。总耗资为1.8亿美元，其中飞机试验平台耗费1.2亿美元。NAS A的试验持续到2000年，每年飞行约160次，每次飞行时间5h[7]。
尽管机载望远镜试验系统有机动性强、不受地面布站影响，飞行高度高，载重能力强等优点，但其也有许多缺点:①高速度飞行加剧了飞机周围的大气湍流效应，引起气流漩涡，同时引起较大的机械扭矩，并且飞机观测窗口周围噪音巨大，这都将对光学系统产生影响，降低分辨率;②尽管机身的振动对长波红外观测影响较小，但飞机发动机产生的热量会影响红外测量结果;③续航能力差。
1.4 气球平台望远镜
氦气球是一个稳定的、无振动的光电试验平台，其可在高空停留数天，没有发动机和复杂的结构，可以无人值守，价格相对飞机实验平台便宜。
1996年A ir Force Philli p s Laborat ory在体积为800000m3的气球下悬挂了一台重2吨、80c m口径的太阳望远镜，从南极洲起飞，爬行高度达到38000m，在高空中停留了两周时间[6]。
气球光电试验平台的最明显缺点是不可操作性，随着其爬行高度的增大，受风的影响越来越大，在着陆前可自由漂流上百公里以上。
2 平流层飞艇光电望远镜平台的特点现代平流层飞艇的概念最早是由美国海军于1982年的H igh2A ltitude Surveillance Platf or m f or O2 ver2the2horiz on Targeting(H I-SP OT)项目中提出的。该飞艇由四个氢燃料发动机驱动，可装载100～500kg的设备飞行至10000km高度，飞行时间持续5个月。
平流层飞艇具有同步卫星、低地球轨道卫星、高空长航时无人机所没有的优良特性，既可固定在对地同步位置上，亦可根据即时的需要自动地
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从一个地区转移到另外一个地区。如今的卫星和无人机都不能携运超过2吨重的载荷，无人机也不
能停留在单一地点上。然而平流层飞艇却具有灵活性，可昼夜24h 工作，持续工作时间长达数年。
平流层飞艇模拟示意图如图2所示，在飞艇顶部设计自动开闭式观察天窗，光电望远镜放置在飞艇舱身中部，根据任务预报到观测时间打开天窗进行光学观测，待跟踪结束后关闭天窗
。
图2 美国洛马公司HAA 飞艇示意图
对以上各种平台望远镜系统的优缺点进行对比
分析表明，随着我国飞艇研制技术的高速发展，在发展大口径地基自适应成像望远镜的同时，飞艇平台望远镜具有诱人的发展潜力，具体优点如下:
(1)平流层高度为距离地面20～100k m ，而在10km 高度以上，大气湍流对自适应成像望远镜的影响可以忽略不计，因此飞艇平台望远镜分辨率可大大提高。
(2)地面光学布站受地理位置、环境、天气、灯光污染等因素影响，观测时间受限，而飞艇平台望远镜机动性强，不受以上因素影响，大大延长观测时间(平流层不存在恶劣天气)。
(3)光学选址对环境要求苛刻(如成像望远镜对视宁度要求严格)，目前我国自适应成像光电望远镜布站均处于云南，由于空间目标的探测受天光地影条件所限而无法观测。而飞艇平台望远镜可灵活布站，对重大突发大事件可及时跟踪观测，并且可以针对极地轨道目标在南北极进行观测。
(4)地基自适应光电望远镜受天光地影条件限制，观测时间受限。而飞艇平台望远镜可随晨昏线飞行，可长时间观测。
(5)飞艇容积大，可运载大口径光电望远镜，便于望远镜方位、俯仰轴转动以进行全方位观测。并且自给能力强，装载大量装备和物资，其载重量一般是直升机的3倍以上。
(6)飞艇采用倾斜旋翼推进及稳性加强系统，稳定性强，即使在强风中也能平稳悬停，便于保持望远镜光路系统稳定，防止图像抖动，观测效率较高。
(7)安全性高，抗风能力强。当遭遇突发事件
时，飞艇的气囊不会立即产生影响，其余完好的隔舱中的气囊产生的静升力可继续维持飞行。有些破损的洞甚至还能在飞行中及时得到修补。飞艇起飞不需要机场，可在许多野外环境下垂直起降。
3 平流层飞艇光电望远镜平台的关键技术
平流层飞艇平台与低空飞艇不同，该平台的研制被认为是本世纪的技术难题。只有在材料、结构、动力、导航和控制等领域提出创造性的技术解决方案，才能为人们提供长期、稳定的服务。
(1)温度控制。平流层昼夜温差大，引起大气压较大的变化。另外，太阳辐照的不同谱段对飞艇有不同的影响，飞艇主要吸收红外与可见光谱段，这部分能量是飞艇热量的主要来源之一，将影响飞艇的温度。分析表明，由于太阳能电池吸收效率低，与太阳能电池接触的一面温度起伏范围在
70～100℃与-70～-100℃[8]
，温差造成艇体内部气体温度和压力变化，继而影响到飞艇的外形和浮力，造成飞艇的高度漂移、姿态变化和抗风能力下降等。此外，平流层温差变化大，以及飞艇自身发动机的散热对艇内温度的影响，会对望远镜的长波红外探测系统产生干扰，并且望远镜镜面面型、CCD 等电子元器件对工作环境的温度变化范围也有一定的要求。因此，温度控制是飞艇光电望远镜平台的一项关键技术。
(2)定点控制和轨道预报。定点控制是指在长期驻空过程中，使飞艇在指定的范围内保持相对地面静止。飞艇所处的平流层环境很不稳定，经常受热气流、昼夜温差和风等各种扰动影响而偏离原来的位置，这些扰动会引起飞艇内部结构参数的变化。定位控制是要保持水平面内飞艇质心位置不变，主要通过动力控制系统的推进，抵抗各种扰动，这需要获得风向、风速、飞艇姿态和动力系统参数等。另外，飞艇在高速飞行和定点控制过程中，如何实时准确预报空间目标轨道是一项亟待解决的新技术。
(3)稳定控制及望远镜实时校正。平流层飞艇在深空、回收过程中经过对流层，对流层气压高，空气密度大，温度随高度的增加而降低，气流具有强烈的对流、湍流运动，并存在雷电、雨、气团和风等自然现象。这些自然现象将致使飞艇产生强烈的振动，引起望远镜反射镜抖动，致使内部光路产生偏移。因此，如何固定望远镜光路、实时调整反射镜位置，并对光路系统进行校正，也是一个技术难点。
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95·门 涛等：平流层飞艇光电探测望远镜关键技术分析
(4)高能粒子及空间污染物的防护。在平流层高度，介子、电子、光子、中子、质子等高能粒子的辐射强度较地面大大增加，它们会对望远镜的工作带来不利的影响。水蒸汽会凝结在望远镜镜片和制冷部件上，长期累积会影响仪器性能；高能粒子可能对CCD等探测部件造成损坏。
4 结 论
平流层飞艇光电望远镜平台具有地基、天基和其他空基平台无法比拟的优点：相对地基和空基平台，平流层光电望远镜平台不受对流层大气扰动的影响，其分辨力可显著提高，并且不受地面选址的限制，观测时间延长；相对天基平台，平流层光电望远镜平台价格相对便宜，系统设计与观测过程简单，观测时间较长。
因此，平流层飞艇在空间目标探测领域具有广阔的发展前景。发展平流层飞艇光电望远镜试验平台将对我国国家安全与国民经济建设具有重要的现实意义。参考文献:
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(上接第37页)
(5)计算评价模型
B21=A21°R21=(0.4,0.4,0.2,0.1)
B21′=(0.364,0.364,0.182,0.091)
B22′=(0.182,0.364,0.364,0.091)
B23′=(0.289,0.231,0.385,0.071)
B24′=(0.182,0.273,0.364,0.182)
B25′=(0.256,0.231,0.342,0.171)
B26′=(0.2,0.2,0.4,0.2)
(6)计算评价结果
D21=B21′C=8.509
D22=B22′C=7.706
D23=B23′C=8.058
D24=B24′C=7.963
D25=B25′C=8.073
D26=B26′C=7.9
D=A×(D21,D22,D23,D24,D25,D26)T=
(0.0814,0.1456,0.1150,0.5548,
0.0542)×(8.509,7.706,8.058,7.963,
8.073,7.9)T=8.113
由计算结果得知该飞行员的综合能力评语为良好。从权重计算的结果得知，实战能力、基础技能及综合心理素质等方面对飞行员综合能力的影响较大，飞行员应重点加强这几方面能力的训练。
5 结 论
本文提出了区间数判断矩阵一致性检验的随机一致性指标，解决了模糊层次分析法的一致性检验问题。以此方法计算权重，改进了模糊综合评判法。在建立综合能力评判模型的基础上，运用模糊综合评判法，对飞行员的综合能力进行评价，通过实例分析、计算，验证了这种方法科学合理。
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