詹姆斯韦伯天文望远镜JWST调研报告docx.docx
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詹姆斯韦伯天文望远镜（JWST）调研报告
——下一代哈勃天文望远镜
1.JWST概述
JWST/NGST计划是美国NASA、欧洲ESA和加拿大CSA正在合作进行的空间天文望远镜计划。
JWST/NGST预计于2014年发射，将成为HST的继承者。
JWST将发展和验证多项大口径空间望远镜技术的重大创新。
NGST（NextGenerationSpaceTelescop）e“下一代空间望远镜”在1989年提出，NASA在1995年开始组织先期论证和预研究。
2002年9月10日，NASA宣布将NGST命名为JWST,以JamesWebb这位阿波罗登月计划领导人也曾任NASA首席执行官的名字为“下一代空间望远镜”的冠名。
JWST的研究理念是：
在哈勃的基础上应用更先进的技术，口径应该是哈勃的3~4倍，造价要降到哈勃的1/4~1/5。
在经过A项研究后，JWST现已转入B项研究，研制工作已经全面开展。
JWST等效口径6.5m,集光面积25m2，探测谱段覆盖从0.6~28阿，工作温度低于35K。
JWST工作在L2轨道，距地球150万km，可以排除地球对JWST的温度影响。
一个有网球场面积大小的遮阳板在空间拦截太阳对JWST的直接照射。
2.JWST主要参数
（1）轨道：
1.5*106km,L2轨道
（2）预期寿命：
5~10年
（3）有效载荷总质量：
约6200kg
（4）主镜：
等效6.5m，有效集光面积25m2，18块六角形镜面拼接，折叠发射，在轨展开成形
（5）光学分辨率：
0.T,在入=2000nm达到衍射极限成像
（6）探测谱段：
600~28000nm
（7）探测仪器：
近红外和可见段相机（NIRCam）、近红外多目标色散光谱仪（NIRSpec）、中红外相机和光谱仪（MIRI）以及精密指导传感器（FineGuidaneeSensor,FGS）
（8）遮光板：
22m*10m在轨展开
（9）望远镜工作温度：
＜50K
（10）预算：
8.25亿美元
3.JWST各子系统组成
JWST主要由主光学望远镜系统（OpticalTelescopeElement,OTE）＞科学仪器（ScienceInstrumentModule,ISIM）和太空船（SpacecraftElement,SE三部分组成。
JWSTobservatorysegment
3.1.JWST之OTE子系统
JWST主光学望远镜光学设计是三反射镜消像差系统，等效6.5m口径，系
统焦距108m，焦比F/16.67.主镜轻量化达到10~15kg/m2，主镜自身重量不超过400kg。
主镜由18块对角距离1.5m的六角形镜面拼接而成，折叠发射，入轨展开，并在波前探测系统监视下调整入位，达到18块子镜的共相。
主望远镜在轨
运行后平均每两个星期需要做一次主镜及光学系统的准直/共相调整。
望远镜将
瞄准一颗亮星作为检测光源，波前探测器与变形镜、主镜每一块子镜的三维促动调整机构以及次镜的6维调整机构构成闭环控制，实现望远镜光学系统在轨的准直调整和共相。
望远镜出瞳上装有快速摆镜，用于高精度在轨图像稳定和方位补偿。
主望远镜在轨工作温度40K，将采用大面积遮阳板和被动制冷达到环境温度要求。
OTE.ISIM
V3但nt卜spacecraft）
（VI,V3）
origin
Secondarymirror
Cassegrainfocus
Fine
SteeringMirror
Focal
Surface
Primary
Mirror
f/#:
20.0
EffectiveFocalLength:
1314m
PMdiameter=6,6m（circumscribedcirde）
图：
JWST主光学系统光路图
7
NIRCam
iwhich
<13iiwn
NIRSpec
图：
OTE焦面上对应于各有效载荷的成像区域分布图
SecondaryMirrorsupport&baffle
Foldingsecondarymirrorsupportstrut
GlareStop
PrimaryMirrorSegment.（1of18）/'
Aft\\
OpticalASub$ystem\（Tertiarymirror&finesteeringmirror）/
PrimaryMirrorBackplane
Deployment
Motor
图：
JWST主光学系统结构图
OTEClearAperture!
2$m3
A什Op”亡却密uitazys連m
BackPlan-s
Light-weighled.rigidSerrirrcwHexapodactuatorSlrayI中IMUaffl*
151MEFIGlgLHU
P「irna「T初i*rq『SugjjmciUAMUimbliE卩補$闯
窖色contl曲i•丫Mhiroi"
图：
JWST各子系统结构示意图
3.2.JWST之ISIM子系统
四大科学仪器的安装位置和组成如下图所示:
图：
ISIM安装位置图
IFUspectmcopy
图：
ISIM由四个有效载荷组成
（1）近红外和可见段相机（NIRCam）
NIRCam成像光谱覆盖范围600~5000nm；成像视场2.16*2.16'，相机用一个光谱分光片分短波段600~2350nm光路和长波段2350~5000nm光路,短波段光路像元分辨率0.0317',长波段光路像元分辨率0.0648〃。
Pick-offMirrorSiibas^cniblv
CoronaerrtphElcuicnts
FirstFoldMirrorSubaiSHiiijly
LongwaveFilterWheelAssembly--ELeiuentB
■'-CollimaraiTriple!
Suba'iseuiily
Dichroic
Beamsplitter
Tripier—一
Subassembly
LongwaveFocal..
PlaneHou^uigFold
Miirof
-Sliort^TtveFilter
WheelAssenjiblyElements
SbortwgYieTriplet
SnlMisembly
ShomvnveFocal
PlaneHousingFoldXIiirar
Sliorrwzi'ieFold
Minor
PupilLen%
图：
近红外和可见段相机（NIRCam）
（2）近红外多目标色散光谱仪（NIRSpec）
NIRSpec敏感光谱段1000~5000nm,用3个光栅实现光谱分光，光谱分辨
能力R=100
（3）中红外相机和光谱仪（MIRI）
MIRI相机敏感波段5000~28000nm,成像视场1.88*1.27';5000~10000nm和10000~27000nm分段光谱仪，光谱分辨能力R=300,视场3〃*3〃；
5000~10000nm段狭缝光谱仪，光谱分辨能力R=100
图：
中红外相机和光谱仪（MIRI）
（4）精密指导传感器（FineGuidaneeSensor,FGS
opticsFGSprovidesimageryfortelescopepointingcontrol&imaging
spectroscopytorevealprimevalgalaxiesandextra-solarplanets.
PKItJOFFMIFKiJF
rtfTFTTi^A5SFMRI-
图：
精密指导传感器（FGS）
33JWST之SE子系统
JWST太空船（SpacecraftElement,SE）主要包括天线，太阳能电池阵列和
JWST将采用Ariane5作为运载火箭。
其空间尺寸设计和质量指标都以其作
标准。
Ariane5火箭可运载的质量为6600kg，最大运载载荷尺寸为4.5mx15.5
m。
为此，JWST采用了拼接式主镜和可展开的空间遮阳板结构。
其质量为6530
kg，尺寸为4.47m*10.66m。
其展开和折叠状态分别如下图所示：
DeployedConfigurationStowedConfiguration
JWST展开状态以及折叠状态的空间尺寸
5.JWST关键技术
JWST开展了多项关键技术攻关和验证，主要包括拼接式主镜单元研制、折叠反射镜展开验证、低温主动光学望远镜集成和测试装置，遮阳板空间展开及热控空间验证等。
以JWST拼接式主镜单元研制为例，NASA和DOD（美国国防部）在1996年出资3000万美元用于支持JWST主镜系统技术攻关项目AMSD（TheAdvaneedMirrorSystemDemonstrator）。
AMSD要完成3个子镜单元的组合，并在低温、真空条件下检测。
作为关键技术攻关，该研究具有难度大，时间周期长等特点。
JWST主镜单元系统的技术要求随着研制过程的进展也有过一些变动。
以1996年为例，JWST的主镜指标与其他天文望远镜的相比如下：
1996JWSTOpticalSystemRequirementsStateofArt
Parameter
JWST
Hubble
Spitzer
Keek
LAMP
Units
Aperture
8
2.4
0.85
10
4
meters
Segmented
Yes
No
No
36
7
Segments
ArealDensity
20
180
28
2000
140
kg/m2
Diffraetion
Limit
2
0.5
6.5
10
Classified
micrometers
OperatingTemp
<50
300
5
300
300
K
Environment
L2
LEO
DriftGi
ound
Vacuum
Environment
Substrate
TBD
ULE
I-70
Zerodur
Zerodur
Material
Glass
Be
Architecture
TBD
Passive
Passive
Hexapod
Adaptive
Control
FirstLight
TBD
1993
20031
992
1996
FirstLight
而随着研究镜子加工和支撑等技术的发展，并考虑到承受发射负载，JWST
HSTOTA
420kg/ht2
-
•HSTPit*
*HSTPKJ
LAMP<.
-JWST
OTA
ALOT,b
」.一-—
«JWST
PMA
SIRTF
—f1
•JWST
PMSA
•=DemonstratedHardware
/\
o2A6&1012
MirrorDiameterinMeters
主镜指标做了相应的调整。
2008年，其主要技术指标如下图所示：
刊ulttN三A澄诵匸住a™H」2008
PrimaryMirrorTime&Cost
HST（2.4m）
~1m2/yr
~$12M/m2
Spitzer（0.9m）
~0.3m2/yr
~$12M/m2
AMSD（1.2m）
~0.7m2/yr
~$5M/m2
JWST（6.5m）
~5m2/yr
~$6M/m2
Note:
ArealCostinFY08$
最终，JWST的主镜单元系统技术要求为：
目前，在经过Ball、Goodriche以及Kodak三家公司的不同研制方案比较和论证后，JWST现采用Ball公司研制的主镜单元系统。
该系统中反射镜采用铍（Beryllium）材料进行轻量化加工制得半刚度反射镜。
其优点是反射镜入轨后所需要的面形纠正量很小。
（1）主动光学控制的拼接式主镜，等效通光口径6.5m
（2）敏感光谱段1~5呵，扩展使用光谱范围0.6~30即
（3）面形精度在波长2g达到衍射极限
（4）工作温度30~60K
（5）轻量化指标：
面质量密度小于15kg/m12345
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