NASA技术路线图-科学仪器

NASA技术路线图-科学仪器本文节选自2015年美国NASA技术路线图的技术领域（TA8）：科学仪器、天文台与传感器系统。该路线图是一个考虑未来20年（2015至2035年）所需多种技术和开发途径的报告，致力于“应用研究”和“开发”活动。下面将阐述遥感仪器与传感器技术、天文台技术和原位仪器与传感器技术三个部分的主要候选技术、挑战、目标和指标等。1遥感仪器与传感器遥感仪器是NASA科学事业的一个关键要素，从测量行星地形的激光高度计，到测量海洋盐度的微波辐射计，这些仪器使NASA能够了解我们的地球、太阳系、太阳和宇宙其它部分。通过进一步发展遥感技术，改进探测器和焦平面，可以提高灵敏度，增加焦平面大小，增加探测器的波长覆盖范围，提高光谱选择性，提高工作温度，并提升未来任务的科学能力。改进低温制冷系统对改善专用低温探测器系统性能是很重要的，通过改进主动冷却系统，可以改善散热器和被动方法温度限制下的仪器、传感器、大型光学仪器和结构。低功耗、低质量和小体积的工艺设计和存储电子器件可以承担更复杂的系统。低功率雷达电子器件和在轨数据处理可能开启新的任务机遇，包括小卫星总线架构。智能仪器总线和接口方面的进展可以使仪器逐步形成一种“即插即用”的方式，可以改善信息技术的成本和进度，及其与先进计算和数据架构之间的接口。大型微波阵列系统和激光发射器仍然是一个挑战，这方面发展将使今天在太空不可能完成的新功能变得可能。光学技术的发展既包括不断改进技术发展水平，也包括造出全新仪器，甚至天文台架构的突破性技术。未来需要发展这些领域，提高技术水平，以满足遥感仪器发展需求。表1遥感仪器与传感器技术技术技术点技术说明技术挑战当前技术技术性能目标参数指标(TRL6)探测器与焦平面可见/近红外焦平面大幅面可见/近红外（IR）探测器阵列实现低噪声，同时也减少像素尺寸和密度碲镉汞（HgCdTe）可见/近红外探测器的大幅面阵列HgCdTe可见/近红外探测器的大幅面阵列4k×4kHgCdTe探测器，具有太空级10微米像素。红外焦平面成像仪、光谱仪和成像光谱仪的红外焦平面探测器材料、探测器制造、数字读出集成电路、更高温度运行、更低的暗电流势垒红外探测器（BIRD），一种突破性技术4K×4KBIRD数字焦平面阵列全数字，QE：90%;规格:4k×4k；像素可操作性：99.98%；像素均匀性:99.8%；1/f噪声拐点：<0.1Hz2D滤波成像仪用于二维（2D）成像仪的光谱分辨率滤波器开发这些滤波器需要很干净、专用的设施。这些滤波器对污染非常敏感远紫外（FUV）多层反射滤波器实现效率提高和带外抑制。波长：80-120nm；峰值反射率：30:1；FWHM:5nm;波长：120-200nm；峰值反射率：25：1；FWHM:1nm;亚毫米波阵列光谱仪高分辨率亚毫米波多像素光谱仪。远红外的外差阵列技术以前从来没有做过。迄今为止只有单像素系统。1.9THz的100像素光谱仪。TRL44x4膨胀探针探测器具有背景有限噪声性能的宇宙微波背景偏振计的大幅面阵列。扩展到更大的幅面，产率高。具有实验室所需噪声性能的过渡边缘传感器（TES）。基于TES的仪器已经部署在地面和气球携带的望远镜上。膨胀探针需要银河科学应用的偏振敏感探测器阵列在30至300GHz之间、高达1THz的多个频率具有宇宙微波背景（CMB）光子噪声以下的水平。10000探测器像素。30GHz至1THz带有背景有限噪声性能。大型可见/近红外光子计数探测器阵列对可见光和近红外（IR）敏感的大型探测器阵列，具有高量子效率、低噪声，与地日拉格朗日2（L2）轨道兼容的耐辐射性。生产能够在地日L2点耐受辐射的耐辐射电荷藕合器件（CCD）阵列。可见光CCD在地日L2点使用时并不耐辐射。近红外（NIR）：詹姆斯•韦伯太空望远镜（JWST）、宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）-天体物理学聚焦望远镜设备（AFTA）、雪崩二极管（APD）和高动态范围成像。具有深满阱的探测器阵列，lowpersistence和耐地日L2辐射性。阵列幅面：1600万像素；量子效率：80%；噪声：<5eRMS；L2处的耐辐射性快速、低噪音、紫外线/光学、红外探测器寿命延长的成像探测器，以承受太空辐射。开发一种具有很高耐辐射性的敏感探测器。用于极紫外（EUV）的裸电荷藕合器件（CCD）和用于远紫外（FUV）的图像增强CCD延长暴露于强烈、持久辐射中探测器的寿命和性能。像素阵列：1kx1k；像素速率：100MHz；读出噪声：100e-rms；耐辐射性：500kradX射线探测器（微热量计）大型X射线微热量计阵列或甚高能量分辨率的像素化焦平面探测器。读出大量像素而不影响分辨率；获得高计数率的能力。具有所需能量分辨率和实验室演示规格的探测器。.具有所需能量分辨率的大幅面探测器阵列。2048×2048阵列；能量分辨率：2.5eV；像素：1000；Pitch：0.25mm远紫外、极紫外二维（2D）探测器具有高量子效率（QE）和可见光盲区（太阳盲区）的大型探测器（2k×2k）。带外抑制和提高QE具有挑战。用于极紫外（EUV）的裸电荷藕合器件（CCD）和用于远紫外（FUV）的图像增强CCD提供增大的尺寸、QE、>200纳米的带外抑制。量子效率：<50%寿命延长的红外传感器寿命延长、大幅面1-5微米红外传感器改进了耐辐射性、被动冷却高工作温度（HOT）的垒红外探测器（BIRD），以避免寿命有限的机械冷却器，以及被动冷却器。基于HOTBIRD焦平面的被动冷却、寿命延长的红外传感器。延长使用寿命10年以上。延长使用寿命：15年幅面：4kx4k；像素可操作性：99.98%；像素均匀性：99.8%；1/f噪声拐点：<0.1Hz高速数字读出集成电路（ROIC）用于高光谱成像的全内反射(TIR)读出集成电路的芯片上集成化需要使用较小的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺。探测器必须使用替代材料和不太发达的制造工艺来制造，幅面较小、产率较低、像素之间变化性较高、成本较高。利用碲镉汞（MCT）阵列进行TIR读出。芯片上或利用sidecar进行14位数字化。14位/12.5兆赫非制冷热电堆探测器阵列宽带（0.3至>200微米）、平谱、非制冷、高线性探测器阵列，进行精确辐射测量。探测器固有的耐辐射度为>1Mrad。探测器产率、与读出芯片的互连。有1024个元的探测器有128个元的读出芯片。10,000个元，具有耐辐射读出。元数：10000；耐辐射硬读数为1Mrad微波动力学电感探测器（MKID）一种超导探测器技术，能够在整个紫外线/光学/红外（UVOIR）波长范围内实现能量分辨率的单光子计数。在pixel-for-pixel的基础上，该探测器是目前市面上最强大的UVOIR探测器。微波动力学电感探测器（MKID）是一种相对较新的技术，有显著的提升空间。目前最重要的问题是能量分辨率（400纳米下R约10）比理论能量分辨率低得多（R约100），像素率（约75％）低，量子效率适中（400纳米70％，1000纳米30％）。电荷耦合器件（CCD）碲镉汞（HgCdTe）阵列提供跨百万像素阵列的优异量子效率（QE）和均匀性，但缺乏时间和能量分辨率。1000万像素阵列，R约50，近100％的像素产率和QE。能量分辨率400纳米时R=50;像素产率:98%;量子效率:400纳米90％，1000纳米90％光子时间标记：1微秒电子器件小型化、低功耗的雷达电子器件提供小型化、低功率的雷达电子器件。需要解决尺寸减小产生热耗散的问题。很多项任务使用该技术。减少质量与功率至10倍因子。TRL5质量：1-20千克功率：1-20瓦在轨雷达数据处理先进的在轨处理能力可以处理更大量的雷达数据耐辐射、耐SEU的硬件和强大算法。合成孔径雷达（SAR）通常将原始数据遥测传送到地面，地面上会有地面科学处理器处理该数据。低功耗、耐辐射、完全聚焦的SAR处理，具有浮点能力（包括在空间使用性能更高的现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC），并开发相关算法，以及事件驱动的观测科学处理）。TRL5聚焦SAR(FocusedSAR)处理。智能仪器总线和接口仪器需要形成一种更“即插即用”的方式，以改善信息技术（I＆T）的成本和进度及其与先进计算和数据架构之间的接口。自配置所需参数的定义和支持标准的定义。任务专用硬件架构给飞行计算硬件和软件的自配置仪器设备演示提供标识符、相关参数以及其它操作细节。开发出允许自配置的智能接口。高度集成、适应极端环境、高性能低功耗的设备电子器件可在极冷或极热的温度下，并且在超宽温度范围内工作的高性能低功耗设备电子器件。开发出能够在NASA任务的温度周期内工作和生存的低噪声、低功耗、高性能模拟和混合信号电子部件和电子封装技术。将电子器件放在隔热外壳中和/或使用可生存的加热器。证明电子器件和电子封装在行星任务的特定条件下的工作情况。TRL3行星表面温度：火星热循环在-120°C至20°C，月球-180℃至120℃，土卫六和彗星-180°C。高温：金星表面480℃，行星探测器光学部件日冕观测仪日冕观测仪和置零干涉仪通过限制部分光束以及修改其相位和振幅，抑制焦平面内的星光。同时实现高对比度、小的内部工作角度和宽的带宽。几种类型的日冕观测仪已在实验室中利用不同高对比度、内部工作角度和带宽进行了示范。每种都有自己的长处和短处，没有一种能满足所有要求的性能。示范是在有明确孔径的准静态环境中进行。星光抑制系统在焦平面中创建了一个暗部区域，在其中衍射星光被返回，允许观察和表征像exo-Earths那么小的太阳系外行星。TRL5

对比度(300-1,800nm)：在>10％的带宽<1×10-10，和<3λ/D有明确、无遮挡和拼接孔径的内工作角度遮光体遮光体是展开的花瓣形结构，其阻止星光，以围绕一远距望远镜形成一个黑影，实现直接探测和表征像exo-Earths那么小的太阳系外行星。散射光的控制、光学模型的验证、编队飞行遥感示范、成熟的周边桁架技术就绪。花瓣建造和桁架展开验证了一致水平，与好于1×10-10对比度，菲涅耳数约200的光学模型验证，边缘样片满足分散规格，开发的编队飞行算法。带覆盖物和接口的全类似飞行的花瓣，专门为遮光物设计包括光盾的一半规模周边桁架，菲涅耳数约10的光学验证，带装载半径的1米长光学边缘样品。技术成熟度（TRL）6的对比度<1x10-10瓣，桁架，编队飞行，模型验证。碳纳米管吸收器、涂料和隐藏面罩用于电磁辐射宽带高吸收的碳纳米管“森林”(forests)。重复性，耐用性，表征（性能，导电性，辐射），与发射和太空环境的兼容性。垂直方向的多壁碳纳米管，被附着到平坦表面以产生低于涂料量级的反射率。垂直方向的多壁碳纳米管，被附着到与太空环境兼容的任意表面。在类似太空的环境中反射率<1％大型光学天文望远镜的波前控制波前控制是促动器校正望远镜光学器件的alignmentandfigure过程。其包括致动器系统和算法/软件，基于相位检索/波前探测的测量值来驱动修正。与发射、高带宽的飞行数据处理系统以及高性能控制算法兼容的精密促动器。控制是通过刚体促动器（例如，镜面片共相或主次排列那样）、可变形镜面，或者这些的组合实现的。控制将通过刚体促动器来完成，以控制面片定位或可变形反射镜，或它们的组合。致动器精确度：1pm；可变形镜面:128×128促动器；控制带宽:5min大型光学天文望远镜的波前探测大型望远镜的波前探测通常使用捕捉图像感测波前误差的基于图像方法，或使用传感器网络测量镜面形状和相对对齐的基于测量方法。精密计量系统，高带宽的飞行数据处理系统，和高性能的波前探测算法。地面上用于测量镜面形的激光测量系统。还有高速图像处理器，用于高控制带宽基于图像的波前探测。望远镜波前探测和控制（WFSC）将是一种了解望远镜精确面形误差和稳定性所需要的使能技术，以实现太阳系外行星成像和光谱，以及一般的天体物理。波前精度：25-50pm；感测速率：>0.1赫兹透射滤波器窄短波滤波器（极至远紫外），具有高传输，能实现高信噪比，以便在太阳物理学的观测中出现明亮信号情况下观察微弱信号。需要非常干净的设施。多层透射滤波器。增加在10-200纳米范围内的带内传输和带外抑制。TRL55年寿命>50％的传输，不会因紫外线照射而降低反射滤波器窄带滤波器，具有高反射率，以实现高信噪比测量。需要非常干净的设施。多层反射滤波器，pi滤波器。实现效率提高和带外抑制。TRL5地球空间1纳米的FWHM>90％R，<5％带外R-太阳风0.1纳米的FWHM>50％R，<5％带外宽视场反射成像仪允许在平板探测器上形成图像，以便从高椭圆轨道对近地空间成像。需要非常干净的设施。宽视场（FOV）极光成像仪。发展快速宽FOV光学。FOV：30度；口径：>60cm；FOV：5度；口径：200cm量子光学干涉测量干涉测量，其敏感性显著优于量子散粒噪声限制。开发强大的压缩态激光干涉仪并测量其性能。实验室实验；激光干涉引力波天文台（LIGO）引力波天文台测试。散粒噪声限制>10×的测量改进，太空适用系统。原子冷却到约100pK加速计噪声<1x10-13g/Hz1/2微波、毫米与亚毫米波高密度、低成本的相控阵面板相控阵提供雷达波束操作的灵活性，可以实现新的雷达测量概念。新的IC技术，如混合信号硅锗（SiGe），能达到更高的密度、更低的噪声系数，以及更低的成本。实现高传输效率、更低噪声系数、低成本效率的封装和信号路由；支持偏振和高辐射水平。在Terra-SARX上的雷达发射/接收元件。用于高空间分辨率和发射功率的更大阵列TRL5元数：10,000高效率脉冲雷达发射器脉冲雷达发射器在所有波长都有高效率，为地球和行星雷达飞行任务实现或降低成本。电路损耗随着频率增加而增加的电量，设备带宽限制更高效率放大器拓扑的使用。有限带宽内合理的效率。在所有频率提高发射器效率是为地球和行星雷达飞行任务实现或降低成本的一个关键。TRL5X-/ku波段55％；Ka波段60％；W波段40％毫米波多频主动微波馈源阵列（雷达）)定位在准直镜焦点轨迹周围的多频主动（可控）源，实现并置、多参数的雷达测量。布局、封装和毫米级辐射结构热；最大化地提高射频RF效率。非受控于W波段的8-94GHz的馈源阵列。定位在准直镜焦点轨迹周围的多频主动（可控）源，实现并置多参数的雷达测量。频段：Ku/Ka/W；扫描范围：>10-20度低成本着陆/接近雷达适用于行星着陆任务的小体积、低成本的着陆雷达和接近传感器。非经常性工程成本和进度风险，阻碍了以任务需求示范为目的的开发成为可行选择。用于火星科学实验室（MSL）的着陆雷达系统。功率和质量减少50％。质量：2千克；功率：5瓦；费用：100万美元（$1M）可调多像素亚毫米波光谱仪高分辨率、多像素、亚毫米波、光谱可调光谱仪。具有大可调性的外差接收器尚未在相关的环境中进行验证。固定调谐系统提供非常少可调谐性整个亚毫米级波段的15-20%可调性TRL510%激光器2.05μm脉冲激光器用于激光探测与测量（LIDAR）的2.05微米脉冲激光器。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。基于应用的可调直接或相干探测LIDAR。提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。输出能量：32至320mJ/脉冲；脉冲重复频率：120至1500赫兹；激光器寿命：>3年；效率：>10%355nm,单频脉冲激光器355纳米脉冲激光器，用于从分子后向散射确定高海拔风速效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。高能量短脉冲源，用于分子后向散射（风），气溶胶后向散射。提高输出能量、光谱稳定性和抗损伤性，同时提高系统效率。输出能量：>50瓦脉冲重复频率：50至1500赫兹；激光器寿命：>3年；效率：>15%用于测高脉冲激光器Earth短脉冲的1micron激光器，有快速探测器，用于进行飞行时间测量。效率，非合作目标的更高功率，更窄的脉冲长度，更高效率的探测器，多波束或扫描。短脉冲的1micron激光器与快速探测器用于进行飞行时间测量。提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。Wallplug效率：20%；多波束阵列：1000beamsat100μJ/beam三维成像FlashLIDAR激光雷达（LIDAR），为非合作目标在2公里的距离上，合作目标在5公里的距离上生成表面高程图。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。为大型flash焦平面阵列“成像仪"提供短脉冲激光照射。读出速度更快，闪光照明能量更高，系统效率更高，耐辐射性提高。大于64k像素的更大面积阵列；大于1000的信号动态范围；测距精度优于5厘米；低于目前状态的量级更小的临界信号；量级更高的效率和更小的激光器0.765/1.572μm脉冲激光器双通道激光器用于激光吸收光谱仪（1.57micron），以检测二氧化碳（CO2）并测量表面压力（0.765micron）。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。在机载系统中进行论证。提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。输出能量：>3/3/65mJ；重复率：10kHz/10kHz/50Hz；效率：3.5/7/5%种子激光器连续波（CW）二极管或光纤种子源，用于在一定波长范围内调谐激光。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。集成到光纤的实验室电路试验板。提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。功率：100mW；目标：高电气效率，抗震和高温作业。脉冲激光器1064纳米的LIDAR，用于生成表面高程地图和表面特征测绘。效率，非合作目标的更高功率，更窄的脉冲长度，更高效率的探测器。短脉冲的太空级1micron激光器与快速探测器用于进行飞行时间测量。提高输出能量、耐辐射性，同时提高系统效率。Profiling：多波束；寿命：>109shots；速率：40Hz至100kHz脉冲可调近红外/红外激光器（气体探测）提出用于激光雷达(LIDAR)探测或进入、下降和着陆(EDL)应用的红外(IR)激光器稳定性，功率，效率和线宽，尺寸约束，辐射环境。当前的系统针对约1公里范围的PPBlevels。测量依赖，需要高信噪比（SNR）以高精度测量，激光器稳定性、效率、功率、关键参数Wallplug：>10%；单频率：100μJ连续波可调近红外/红外气体探测用于气体探测和表征的原位激光源效率，非合作目标的更高功率，更窄的脉冲长度，更高效率的探测器，多波束或扫描。二极管或小光纤/固态激光器作为光谱源。测量依赖；需要高信噪比（SNR），用于高精度测量，激光器稳定性、效率、功率、关键参数。1-15μm1.65微米脉冲激光雷达(LIDAR)在该波长频带运行的激光器已被确定为远程甲烷感测的候选。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。使用飞行时间进行距离选通的差分吸收测量。提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率寿命：>3年；能量：50到1kHz时5到10mJ。激光雷达(LIDAR)光纤发射器先进的基于光纤的激光发射器，具有可见光到近红外（IR）的0.01-20mJ脉冲能量，用于激光雷达（LIDAR）。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。测量依赖；需要高信噪比（SNR），用于高精度测量、激光器稳定性、效率、功率、关键参数。开发先进的基于光纤激光发射器，具有可见光到近红外（IR）的0.01-20mJ脉冲能量，用于激光雷达（LIDAR）。测量依赖。矢量氦磁力计二极管激光器进行高精度磁场测量所需的超窄激光系统。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。将原子泵入激励状态，在其衰变时检测磁场的影响。进行高精度磁场测量的超窄激光系统。功率：>10mW激光干涉仪用于干涉测量的空间激光器。效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。极为稳定、非常窄的频率源，用于测量系统之间的漂移。高稳定性，长寿命性能和效率是关键。单频，频率梳超稳，低噪声低温/高温

4K制冷机先进的太空飞行脉冲管、Stirling,JouleThomson,及turbo-Brayton提高热力学效率和可靠性。现有的脉冲管、Stirling,Joule-Thomson,及turbo-Brayton制冷机在远红外（IR）干涉任务应用上为技术成熟度（TRL）4。制冷机系统目前制冷至6K。扩展了詹姆斯•韦伯太空望远镜（JWST）制冷机的功能，实现从约300K的基准温度冷却与冷却到约4K。热量升程：18K时180毫瓦，4K时72mW，<200W的输入功率连续亚K制冷机绝热退磁制冷机（ADR）或He3/He4稀释冷冻机，可直接连接到机械制冷机。在更高的温度下工作，质量降低，效率更高，杂散磁场减少。现有的连续ADR示范，以及基于量子隧道、通过正常绝缘体-超导体（NIS）连接的固态冷却方法。紧凑型高效率的冷却器，能够从一系列的机械制冷机运行和提供多种温度控制阶，供电子器件使用，如超导量子干涉仪（SQUID）放大器，以及光学器件。与磁敏感的超导探测器兼容（有足够防护），包括SQUIDs。热量升程：50mK时5uW，并且30mK时1uW；100％占空比加上1-4K时1-5mW的热量升程：从>15K的heatsink运行低成本制冷机用于冷却传感器和光学器件的低成本单级制冷机。Poor热力学效率。当前低成本脉冲技术被验证以不到一百万美元的成本在55K运行。技术性能的目标是利用压缩机的46W电气输入功率在55K获得1.3W。热量升程：55k时1.3W效率：35.4W/W2天文台技术天文台技术对于聚积、集中或传送光子的空间望远镜和天线的设计、制造、测试和运行来说是必要的。天文台技术支持或提升大口径单块和分块、单孔径、以及结构连接或自由飞行的稀疏与干涉测量孔径。其应用涵盖从X射线到无线电波的电磁频谱。根据规划和潜在的未来NASA任务需求，可以将天文台技术归类为镜面系统、结构和天线、以及分布式孔径。这些技术支持三种主要应用：X射线天文学、UVOIR天文学和微波/无线电天线。目前许多NASA调查任务定义了前沿技术水平，并带动了对X射线天文学的需求。NASA的空间望远镜和商业成像系统代表了本领域UVOIR的最新技术水平。对于极大太空望远镜（ELST），需要15至30米（m）级的望远镜。未来大型望远镜最重要的指标是每平方米聚光孔径的成本。假设总任务预算一般会受到限制，承担更大望远镜最可行的办法是降低面积成本。表2天文台技术技术技术点技术说明技术挑战当前技术技术性能目标参数指标(TRL6)镜面系统高能X射线掠入射镜高能X射线精密平面轻质镜镜壳不产生扭曲地安装是非常困难的。复制的光学器件提高分辨率，同时减少X射线光学器件的质量。TRL4分辨率：0.1角秒；面密度：0.5千克/平方米低能X射线掠入射镜低能X射线精密平面轻质镜镜壳不产生扭曲地安装是非常困难的。复制的光学器件、分片镜面和slumped硅光学。通过提高分辨率来提升观测能力，同时减轻X射线光学器件的质量。分辨率：0.1角秒；面密度：1千克/平方米大口径紫外/可见/近红外望远镜正入射单片镜大型、低成本、重量轻的高精度单片镜，其为超稳定大口径、紫外线（UV）/可见光/近红外（IR）望远镜提供了高度的热和动态稳定性、波前传感与控制。对于衍射限制性能，随着口径增长和波长收缩而保持波前稳定性。达2.4米大小的封闭式后向超低膨胀（ULE）镜，开放式的微晶玻璃或2米以内Be镜开发轻质单片紫外、可见和近红外镜。TRL5

直径：3至8米；

Figure：<10纳米rms；

反射率：>60%,90-900nm；

面密度：20（优选5-10千克/平方米），千克/平方米；

波前稳定性：<10pmrms，热控下10分钟；

面成本：<200万美元($2M)/平方米大口径紫外/可见/近红外望远镜正入射拼接镜面大型、低成本、重量轻的高精度拼接镜，其为超稳定大口径、紫外线（UV）/可见光/近红外（IR）望远镜提供了高度的热和动态稳定性、波前传感与控制。对于衍射限制性能，随着口径增长和波长收缩而保持波前稳定性。轻质Be、ULE玻璃和SiC镜面。先进的展开、波前探测和驱动技术是中期TRL。开发轻质拼接式UV、可见光和近红外镜面系统，包括波前和热控TRL5

直径：6.5至30米

Figure：<25nmrms；

反射率：>70%对于λ90-120nm,>90%对于λ>120nm；

面密度：<20kg/m2；

波前稳定性：<10pmnmrms每波前控制step；

面成本：<50万美元($0.5M)/平方米结构和天线可展开支撑结构和天线可展开航天器和仪器支撑结构与天线。大型、高稳定结构与天线孔径，可封装在很小体积可存储管状可延长部件（STEM）和连续纵梁盘绕臂（CLCB）是已被验证的技术。热弹性稳定性；微动态稳定性，展开精度、可重复性和可靠性。主动结构技术和控制结构交互技术也是相关的（例如，trading制造精度或硬度，用于在轨形状误差校正或主动阻尼）。阻尼>1%（半任意）；展开相对精度和尺寸稳定性；约10-4到10-6（取决于无线电频率（RF）或光学应用）可装配/组装的支撑结构和天线可装配/组装的航天器/设备支撑结构和天线。基于非舱外活动（EVA）的系统需要发展机器人技术。基于航天飞机示范构建可装配太空结构的组装概念（ACCESS）。为可装配结构提供高表面精度和刚度任务依赖。可充气支撑结构和天线可充气航天器/仪器支撑结构和天线。需要更高精度和/或刚度的材料太空运输系统（STS）-77上进行的充气天线实验（IAE）。为可充气展开结构提供0.1mmrms的精度和刚度，表面精度：0.1mmrms轻质可展开天线具有高封装效率的展开天线（阵列或单口径）新型轻质材料和展开系统。背后带有发射器/接收器（T/R）模块的波导或平板天线的可展开阵列，或带有馈源阵列天线的大型可展开天线。可展开天线（阵列或单口径）具有较高的封装效率。<2千克/平方米天线反射器Ka与W波段的大型天线反射器，将使静止雷达具有高空间、时间和垂直分辨率。这种雷达将能够每15至30分钟产生热带和中纬度陆地海洋的三维（3D）雷达图像，用于天气、空中交通安全、电信和其它应用。轻质反射器材料和架构，以及展开形状或相控阵馈源的自适应控制。达到X波段频率和天线直径达20米的可展开天线Ka和W波段（35和94GHz）和天线直径达35米的可展开天线。GEO可展开天线D/λ>2000；天线表面rms误差≤0.1毫米；二维（2D）扫描分布式孔径

分布式孔径超精密绝对测距分开达数公里远的航天器之间的精密绝对测距达亚纳米级的一种航天器间传感器。获得一测距传感器，具有1×1012的动态范围，即在>1×103米的范围内测量达到<1×10-9米的精度。例如，一个足球场的1×10-12是一个原子的宽度。绝对测距调制边带技术（MSTAR）电路板示范，可扩展到MSTAR3DExoEarthMapper需要的性能和相控阵列干涉成像与感测形状同步目标>10秒精度：1纳米；范围：近期>1公里；ExoEarthMapper>100公里；同时目标数：>10s分布式孔径态势感知感测一种航天器间传感器，具有接近全空覆盖范围，可以同时跟踪多个航天器至数公里的距离，具有合理的航天器适应性，以及用于一般操纵和防撞的中等至粗精度。同时在大部分天空内跟踪多个目标，没有过大的质量、功率和体积，即使当邻近航天器进入安全模式，并增加碰撞危险也如此。自主编队飞行（AFF）传感器，S波段全天空态势感知传感器。自由飞行secondary的大型相控阵列需要的性能。TRL5天空覆盖范围：全天空；范围：数公里；精度：0.1米的范围内，0.5度方位；目标数：>5编队和接近操作的六自由度（DOF）相对估计一种算法，用以稳健地估计航天器相对于另一个物体的相对旋转和平移状态，另一个物体可以是一个合作航天器、小型或原始体、碎片或非合作航天器。可靠地确定和充分了解航天器相对于显示复杂运动物体的运动，包括估计翻滚物体的惯性和旋转状态，使用基于机器视觉的间歇性复杂测量同时积极地操控。对于非合作，保持航天器三轴稳定，利用视觉充分表征的目标，已经对机器视觉传感器进行机器人服务的有限测试。主体接近操作和自由飞行secondary的大型相控阵列的性能需求，将载人飞行任务推进到深空，需要利用飞行器舱和小卫星进行接近操作。TRL56自由度：是；非合作：是；没有先验目标模式：是；Tumbling：是；惯性/旋转估计：是；目标数：天文台6个防撞编队故障检测和识别一种算法，用以：1）在自由旋转和平移度及主体和邻近航天器的编队感测与控制方面，检测故障并尽可能识别；2）采取基于故障识别的方法，减少与邻近航天器的碰撞危险。动态联系编队中的故障检测与识别（FDI）（控制误差是否越来越大，误差是本地产生的亦或是其它航天器的推进器或传感器？），依赖通信进行检测和计算方面具有挑战的结合本地故障防撞（CA）约束指导，以躲避不稳定的“邻居”：预编程操纵不足以用于多个同时碰撞的航天器。对于两个以上的航天器，适应FDI：1）飞行过程中的传感器和控制性能，避免数百参数的手动调整，2）在本地附近改变的航天器，3）通信信息变化量。一组FDI滤波器可以在几个航天器编队中检测并识别故障；不适用。简化“首先避免最近即将发生的碰撞”防撞。带有自由飞行secondary和天体物理学路线图任务的大型相控阵的性能需求：引力波，ExoEarth和BlackHoleMappers：TRL5航天器的FDI数：>5；FDI适应性：是；航天器的CA数：>20；CA适应性：是六自由度（DOF）优先级、可选执行器分配一种算法，提取编队/接近操作姿态和平移控制的扭矩和动力命令，并将其转换为优化反应轮和推进器指令，用于任意推进器和反作用轮的位置和方向，可以保证指令的优先级。扭矩或动力指令首先被尽可能最佳匹配，余下的执行器优先级用于实现其它控制指令，并且可以有选择地禁用推进器，以避免pluming相邻航天器或科学目标。执行器任意方向和位置及不同数量执行器需要快速、有保证的在轨优化。地面测试平台上的启发式梯度下降算法（不保证最优的，需要仔细调整），对基于凸优化的分配器的模拟验证。主体接近操作和有自由飞行secondary的大型相控阵需要的性能，将载人飞行任务推进到深空，需要利用飞行器舱和小卫星进行接近操作。TRL5任意执行器几何：是；执行器可变数目：是；优先级：是；保证会聚：是；飞行处理器运行时：5毫秒超长距离、超精密航天器间的方位感测编队飞行航天器间传感器，可以精确测量远远分开的航天器之间的相对方位。两个航天器之间的方位测量精度比哈勃望远镜的精细制导传感器还好，却不需要其成本、质量、体积和导星prevalence，在分离50000公里（约8个地球半径）范围将一个航天器作为一颗星，但不会影响科学。太阳系外行星任务概念。需要论证由太阳系外行星成像的外部遮光体所需的全部能力。在5×107米的范围内方位<5nrad大型动力航天器的高效精密编队控制编队飞行、航天器间的控制算法，使观测效率最大化和推进剂使用最小化，用于一系列环境干扰加速度和用于旋转航天器。优化deadbanding以便利用所有方向的旋转航天器指向推进器在扰动加速度谱带内达到最大漂移时间，并在所有情况下（任何轴的推进器脉冲中断科学）同步deadbands跨惯性轴。合成外部遮光器进行系外行星成像的概念。合成外部遮光器进行系外行星成像所需的控制能力。TRL5扰动加速度：多轴0至5×10-5m/s2；旋转率：>0.1转每分钟(RPM)；Deadbandssynchronizedacrossaxes3原位仪器与传感器在今后几十年里，原位仪器和传感器技术对于实现未来任务的新科学发现至关重要。天体物理学、太阳物理学和行星任务需要支持场和粒子仪器及传感器的技术，只有行星任务需要原位采样技术。对于彗星、土卫六和金星的计划任务，需要显著的技术进步来实现深钻和取芯。在羽流和稀薄大气中进行高灵敏度有机材料表征，需要改进质谱技术。在持续的生命搜寻过程中，需要开发湿化学分析的方法和传感器，以表征生物特征或有机材料。表3原位仪器与传感器技术技术技术点技术说明技术挑战当前技术技术性能目标参数指标(TRL6)场和粒子探测器高能粒子探测器（>30keV至数GeV）用来测量高能粒子、太阳风、近太阳环境和银河宇宙辐射粒子数的粒子探测器。用于<50MeV的技术并不适用于1GeV。适合飞行极限的方法中严格约束资源。CsI（Tl）粒子望远镜在单个探测器内提供闪烁和切伦科夫辐射的同步测量。提供广泛探测器响应的紧凑型传感器。将能量范围从50扩展到1000MeV，以涵盖过去/当前仪器很少覆盖的能量范围。能量范围：50至1000MeV；能量分辨率：25％等离子体探测器（<1eV-30keV）等离子体探测器，用来测量太阳风、磁层及近太阳环境的粒子数。粒子光学设计和网格。静态能量角分析仪（SEAA）。该技术的性能目标是以0.01秒的速度分布实现这些相同粒子能量和二维（2D）入射角范围的静态测量。4pisr;

0.01秒的速度分布；0.01keV-30keV的能量；7％的分辨率星群磁力仪允许在分布式系统中进行高稳定磁场测量的技术。高测量稳定性，允许卫星间的校准。磁通门和氦向量磁力仪。提高稳定性，同时降低质量稳定性：0.05nT/5天；质量：<0.5kg高能中性粒子传感器实现γ射线、中子和高能中性原子的高分辨率和高灵敏度测量的一种传感器，现有技术水平在过去15年左右可能已过时。这是一种需要专门设备和技术的具有挑战性的薄片实验室制造和测试过程。自2000年左右尚未产生过高能中性原子（ENA）光栅。不过，已生产出类似的自立式光栅，用于天体物理学任务。敏感性增加的紫外线（UV）抑制TRL7该技术的性能目标是实现10×1010Ly-α抑制，同时允许>10％的incidentENAS快速（高能）中子探测器用于行星表面辐射暴露高能中子，寻找表面成分（水）的探测器。从现有技术水平实现目标是困难的，由于有限的交互类型中子测量技术仍然处于初步阶段。提供行星表面混合辐射场内中子能谱测量。识别中子并测量能谱，1至50MeV。1至50MeV原位(其它)低温彗星地下芯取样器彗星体上深钻和取芯飞越过程中以高可靠性迅速获得未知成分低温样品的技术复杂性；维持低温的挑战。实验室测试，用于示范从彗星模拟环境进行地下样品采集和封装。针对一系列现实彗星模拟物，对保存地层密封样品进行类飞行的飞越封装，从白天表层深度下收集，保持足够低的温度以防止水分改变。地下钻探至≥25厘米；完好的芯，25厘米长×3厘米直径；整个任务过程中T≤125K。土卫六表面和湖泊低温采样技术用于将固体和液体的低温样品从土卫六环境条件传送到分析环境的一种机械系统。低温条件下实际样本属性模拟土卫六环境具有难度。实验室样机低温液体采集系统，具有摄入液体甲烷和乙烷用于质谱仪的能力。采集固体和液体低温样品，同时保持原来的分子和同位素组成。94K下自主固体和/或液体样品的收集和传送。高温高压执行器、钻机和阀门能在金星表面条件下工作的执行器、钻机和阀门（92bar，460℃）。设计能够以高可靠性在金星表面苛刻环境中工作的装置具有难度；虚拟地形项目（VTP）条件下验证装置具有难度。金星钻机、电机和执行器技术的概念和设计。当前美国没有样品传输能力。在金星的温度和压力下进行端至端样本钻探、采集和传送示范。需要多样本传输能力。钻深度>1厘米；转移样品体积约1立方厘米能够在92bar压力、460°C温度下进行工作用于超灵敏有机材料表征的先进质谱仪质谱仪用于