[论文解读] Enabling concepts for a dual spacecraft formation-flying optical interferometer for NASA's ST3 mission

P. W. Gorham, W. M. Folkner+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 1999

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 13

一句话总结

本文提出了用于NASA ST3任务的双星编队飞行光学干涉仪概念，采用嵌套猫眼延迟线以最小化波前畸变，并在1.5米的封装内存储20米的光程。次级航天器的抛物线轨道使基线最长可达200米，分离距离最大达1公里，从而实现在深空进行高精度天体物理测量。

ABSTRACT

We present the enabling concept and technology for a dual spacecraft formation-flying optical interferometer, to be launched into a deep space orbit as Space Technology 3. The combiner spacecraft makes use of a nested cat's eye delay line configuration that minimizes wavefront distortion and stores 20 m of optical pathlength in a package of \sim 1.5 m length. A parabolic trajectory for the secondary collector spacecraft enables baselines of up to 200 m for a fixed 20 m stored delay and spacecraft separations of up to 1 km.

研究动机与目标

• 在深空实现高精度光学干涉测量，用于天体物理观测。
• 解决在编队飞行航天器构型中，长基线条件下保持波前稳定性和精确光程控制的挑战。
• 开发一种紧凑、坚固的延迟线系统，可在最小体积内存储20米的光程。
• 通过抛物线轨道设计，实现高达200米的基线，同时航天器间距最大可达1公里。
• 支持编队飞行干涉测量技术的成熟度，为未来深空科学任务提供技术支撑。

提出的方法

• 采用嵌套猫眼延迟线构型，以最小化波前畸变并实现高波前稳定性。
• 利用1.5米长的封装存储20米的光程，实现紧凑且高效的光程控制。
• 为次级收集器航天器设计抛物线轨道，以在可变分离距离下保持恒定的光程差。
• 采用精确编队飞行控制技术，确保两颗航天器在长达1公里的距离下保持对齐与稳定。
• 集成光学测距与控制系统，确保亚波长量级的光程精度。
• 利用深空轨道以减少大气和地面干扰，提升干涉测量的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种紧凑、低畸变的延迟线，使其在1.5米的封装内存储20米的光程？
• RQ2 何种轨道设计可实现可变航天器间距（最大1公里）下的稳定长基线干涉测量？
• RQ3 在深空运行的双星光学干涉仪中，如何最小化波前畸变？
• RQ4 采用此构型的编队飞行干涉仪可实现的基线长度和光程稳定性如何？
• RQ5 实现两颗自由飞行航天器在深空进行高精度光学干涉测量所需的关键技术是什么？

主要发现

• 嵌套猫眼延迟线成功在1.5米物理封装内存储20米光程，同时最小化波前畸变。
• 抛物线轨道设计使基线长度可达200米，即使在航天器间距最大达1公里时，仍能保持固定的20米存储延迟。
• 该设计实现了高波前稳定性，对高对比度天体物理观测至关重要。
• 该系统具备可扩展性，适用于深空部署，支持未来高分辨率光学干涉测量任务。
• 该技术实现了长距离上的精确光程控制与编队飞行，满足ST3任务的需求。
• 该方法证明了未来需要长基线和高波前保真度的空间光学干涉仪的可行性。