太空中工作的太空望遠(yuǎn)鏡
當(dāng)人們還沉浸在去年我國(guó)首個(gè)商用遙感衛(wèi)星組星“吉林一號(hào)”帶來(lái)驚喜的時(shí)候，一則來(lái)自中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所自主研制出直徑4.03米的單體碳化硅反射鏡坯的消息，更是引來(lái)社會(huì)各界的無(wú)限遐想。
原因在于，“吉林一號(hào)”的反射鏡直徑僅為0.624米，在軌的光學(xué)分辨率是0.72米，便可以清楚看到北京長(zhǎng)安街、鳥(niǎo)巢、水立方等標(biāo)志性道路和建筑，并且主要街道上行駛的車(chē)輛更是清晰可見(jiàn)。
“如果‘吉林一號(hào)’換上這塊直徑4.03米的反射鏡后，分辨率將達(dá)0.1米，不僅地面上汽車(chē)型號(hào)可以看得一清二楚，甚至你在空曠野地上干點(diǎn)壞事，都會(huì)被盡收眼底?！泵绹?guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校物理系研究員徐令予感嘆道：舉頭三尺有“神明”，遙感攝影下難有隱私。
而在這令人驚嘆，甚至還有些恐懼的背后，其實(shí)是太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮的“功力”。
反射鏡是成像關(guān)鍵
作為光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的一種，太空望遠(yuǎn)鏡是天文學(xué)家的主要觀測(cè)工具之一，不僅讓眾多天文學(xué)家獲取到更為清晰、可供研究探索的圖像，社會(huì)民生、軍事等領(lǐng)域也深受其益。
而光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以分為折射和反射兩大類(lèi)。折射而式望遠(yuǎn)鏡的物鏡是凸透鏡，通過(guò)凸透鏡對(duì)遠(yuǎn)處目標(biāo)光線的折射而成像，從而增大觀察的視角；反射式望遠(yuǎn)鏡的物鏡是凹面鏡，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)處目標(biāo)光線的反射而成像。
“目前，太空望遠(yuǎn)鏡多為反射式望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榉瓷涫酵h(yuǎn)鏡成像時(shí)，光線不需透過(guò)主反射鏡的材料本身，因而對(duì)材料的光學(xué)穿透性能沒(méi)有特殊要求，鏡面又僅需加工一個(gè)反射面，加工比較容易，主反射鏡的重量相較透鏡也可輕得多，并且還無(wú)色差?！毙炝钣璞硎?，這其中的關(guān)鍵部件就是主反射鏡，它就好比人的眼睛、相機(jī)的鏡頭，其大小和加工精度直接決定了望遠(yuǎn)鏡的功能和成像質(zhì)量
那么，反射鏡的尺寸是不是越大就越好呢？面對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者提問(wèn)，徐令予給出的答案是：“大有大的難處。”理由在于：尺寸越大，就可能帶來(lái)重量的變化，而航天工程是錙銖必較，這就必然引發(fā)對(duì)反射鏡材料的關(guān)注。
“反射鏡必須使用不易變形的剛性材料，并且熱脹冷縮一定要控制到最小，因?yàn)橥馓盏臏夭顦O大，溫差引起的變形會(huì)嚴(yán)重?fù)p害望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量。此外，還要有一定彈性，可以經(jīng)受運(yùn)載工具升空時(shí)的加速度和振動(dòng)的惡劣環(huán)境，同時(shí)還要易于做表面精密加工。”徐令予說(shuō)。
優(yōu)質(zhì)材料仍需細(xì)雕琢
目前，用于太空望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡的材料主要有：超低膨脹系數(shù)石英玻璃（ULE)、鈹（Be）和碳化硅。而碳化硅和鈹合金一直被視為是太空望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡材料的最佳選擇。
碳化硅材料的最大的好處是反射鏡背后可做成中空網(wǎng)格狀，這不僅大大減輕了重量，而且也加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度。此外，它的熱傳導(dǎo)率非常好，反射鏡各處的溫度不會(huì)有太大區(qū)別，研發(fā)者就不擔(dān)心反射鏡整體表面的冷熱不均。
但即便是同樣的碳化硅材料也有幾種不同的成型方式?！白詈玫姆椒ㄊ腔瘜W(xué)氣相沉積CVD方法。通常做法是先用反應(yīng)燒結(jié)法（RB）形成碳化硅毛坯，然后在此基礎(chǔ)上用CVD方法生成一層碳化硅的外膜，然后再經(jīng)精細(xì)加工和打磨，從而制成最好的主反射鏡?！毙炝钣韪嬖V記者。
過(guò)去，掌握該項(xiàng)技術(shù)的頂尖強(qiáng)國(guó)是美、法兩家，俄羅斯和日本位居其后。目前世界最大尺寸的碳化硅反射鏡直徑為3.5米，它是法國(guó)為歐洲“赫歇爾”紅外望遠(yuǎn)鏡制造的主反射鏡。
“但這個(gè)不是整體燒結(jié)的，而是分塊燒制后機(jī)械拼接的，那么，拼接處一定會(huì)引入光的干涉現(xiàn)象，嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量?！毙炝钣枵f(shuō)。
而此次中科院長(zhǎng)春光機(jī)所則采用的是整體燒結(jié)，直徑達(dá)4.03米，技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯。
據(jù)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所官方網(wǎng)站介紹，該鏡坯采用背部半封閉輕量化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料的近凈尺寸成型，是目前為止世界上公開(kāi)報(bào)道口徑最大的碳化硅反射鏡坯。該成果實(shí)現(xiàn)了大口徑光學(xué)材料自主可控；制造裝備、研制工藝等擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為大型光電系統(tǒng)的研制提供了可靠的技術(shù)保障，標(biāo)志著我國(guó)大口徑光學(xué)材料制備技術(shù)取得了里程碑式的進(jìn)展。
“不過(guò)，這僅是反射鏡的毛坯，還要作CVD沉積、精加工和打磨等多道工序，方能制成合格的主反射鏡。”徐令予將其比喻為萬(wàn)里長(zhǎng)征剛剛開(kāi)始，前面還有許多路要走，可千萬(wàn)大意不得。
曾經(jīng)紅極一時(shí)的“哈勃”望遠(yuǎn)鏡升空運(yùn)作后，就因?yàn)榉瓷溏R的加工曲率弄錯(cuò)，導(dǎo)致張張照片“煙籠寒水月籠紗”，幸好及時(shí)做了精細(xì)的調(diào)整，才使其二十多年來(lái)碩果累累，對(duì)人類(lèi)的太空探索作出了卓越的貢獻(xiàn)。
不過(guò)，路途的艱險(xiǎn)，但并不影響業(yè)內(nèi)人士對(duì)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所這項(xiàng)研究的期待，甚至徐令予覺(jué)得其在可見(jiàn)光波段的分辨率與美國(guó)新一代“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡（直徑為6.5米）有得一拼。
期待更遠(yuǎn)、更清晰
據(jù)了解，新一代的“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡反射鏡由鈹合金制成，但因受運(yùn)載火箭的尺寸限制，其主反射鏡仍采取的是機(jī)械拼裝。主反射鏡被分割成18塊六角形的鏡片，發(fā)射后這些鏡片會(huì)在高精度的微型馬達(dá)和波面?zhèn)鞲衅鞯目刂葡抡归_(kāi)成型。
“的確，拼接會(huì)影響圖像質(zhì)量，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由組合可調(diào)鏡片構(gòu)成大型太空反射鏡的技術(shù)遲早必須掌握?！毙炝钣柘颉吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》記者透露，此次“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡反射鏡片上之所以鍍金膜，是因?yàn)榻鹁哂辛己脤?dǎo)電性與導(dǎo)熱性，它能高效地反射光波，減少冷熱不均的發(fā)生，這也與該望遠(yuǎn)鏡工作范圍有關(guān)（工作波長(zhǎng)為0.6到28.5微米，即可見(jiàn)光金色段到中紅外波段）。
其實(shí)，在主反射鏡的制造和使用材料方面，各國(guó)都在積極地創(chuàng)新探索。
比如，早在2013年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局就展示了基于塑料的可折疊軌道望遠(yuǎn)鏡鏡片，得益于柔性薄膜材料輕量化，且光學(xué)效率提高，可以實(shí)現(xiàn)同現(xiàn)有系統(tǒng)一樣的分辨率的成像質(zhì)量而重量只有現(xiàn)有系統(tǒng)的七分之一的驚人效果。
“未來(lái)，隨著中國(guó)在工程技術(shù)領(lǐng)域的諸多創(chuàng)新成果的應(yīng)用，中國(guó)勢(shì)必在世界太空望遠(yuǎn)鏡的格局中占據(jù)一席之地。我們也會(huì)將視角觸及更遠(yuǎn)、看得更清晰。”徐令予期待。
