太空望遠鏡：「慧眼」識得天外天
太空中工作的太空望遠鏡。
■本報記者 張思瑋
當人們還沉浸在去年我國首個商用遙感衛星組星「吉林一號」帶來驚喜的時候，一則來自中國科學院長春光學精密機械與物理研究所自主研製出直徑4.03米的單體碳化硅反射鏡坯的消息，更是引來社會各界的無限遐想。
原因在於，「吉林一號」的反射鏡直徑僅為0.624米，在軌的光學解析度是0.72米，便可以清楚看到北京長安街、鳥巢、水立方等標誌性道路和建築，並且主要街道上行駛的車輛更是清晰可見。
「如果『吉林一號』換上這塊直徑4.03米的反射鏡後，解析度將達0.1米，不僅地面上汽車型號可以看得一清二楚，甚至你在空曠野地上干點壞事，都會被盡收眼底。」美國加利福尼亞大學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後，其實是太空望遠鏡發揮的「功力」。
反射鏡是成像關鍵
作為光學望遠鏡的一種，太空望遠鏡是天文學家的主要觀測工具之一，不僅讓眾多天文學家獲取到更為清晰、可供研究探索的圖像，社會民生、軍事等領域也深受其益。
而光學望遠鏡可以分為折射和反射兩大類。折射而式望遠鏡的物鏡是凸透鏡，通過凸透鏡對遠處目標光線的折射而成像，從而增大觀察的視角；反射式望遠鏡的物鏡是凹面鏡，通過對遠處目標光線的反射而成像。
「目前，太空望遠鏡多為反射式望遠鏡，因為反射式望遠鏡成像時，光線不需透過主反射鏡的材料本身，因而對材料的光學穿透性能沒有特殊要求，鏡面又僅需加工一個反射面，加工比較容易，主反射鏡的重量相較透鏡也可輕得多，並且還無色差。」徐令予表示，這其中的關鍵部件就是主反射鏡，它就好比人的眼睛、相機的鏡頭，其大小和加工精度直接決定瞭望遠鏡的功能和成像質量。
那麼，反射鏡的尺寸是不是越大就越好呢？面對《中國科學報》記者提問，徐令予給出的答案是：「大有大的難處。」理由在於：尺寸越大，就可能帶來重量的變化，而航天工程是錙銖必較，這就必然引發對反射鏡材料的關注。
「反射鏡必須使用不易變形的剛性材料，並且熱漲冷縮一定要控制到最小，因為外太空的溫差極大，溫差引起的變形會嚴重損害望遠鏡成像質量。此外，還要有一定彈性，可以經受運載工具升空時的加速度和振動的惡劣環境，同時還要易於做表面精密加工。」徐令予說。
優質材料仍需細雕琢
目前，用於太空望遠鏡的主反射鏡的材料主要有：超低膨脹係數石英玻璃（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後可做成中空網格狀，這不僅大大減輕了重量，而且也加強了結構的穩定度。此外，它的熱傳導率非常好，反射鏡各處的溫度不會有太大區別，研發者就不擔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。「最好的方法是化學氣相沉積CVD方法。通常做法是先用反應燒結法（RB）形成碳化硅毛坯，然後在此基礎上用CVD方法生成一層碳化硅的外膜，然後再經精細加工和打磨，從而製成最好的主反射鏡。」徐令予告訴記者。
過去，掌握該項技術的頂尖強國是美、法兩家，俄羅斯和日本位居其後。目前世界最大尺寸的碳化硅反射鏡直徑為3.5米，它是法國為歐洲「赫歇爾」紅外望遠鏡製造的主反射鏡。
「但這個不是整體燒結的，而是分塊燒制後機械拼接的，那麼，拼接處一定會引入光的干涉現象，嚴重影響望遠鏡成像質量。」徐令予說。
而此次中科院長春光機所則採用的是整體燒結，直徑達4.03米，技術優勢十分明顯。
據中科院長春光機所官方網站介紹，該鏡坯採用背部半封閉輕量化結構，實現了陶瓷材料的近凈尺寸成型，是目前為止世界上公開報道口徑最大的碳化硅反射鏡坯。該成果實現了大口徑光學材料自主可控；製造裝備、研製工藝等擁有自主知識產權，為大型光電系統的研製提供了可靠的技術保障，標誌著我國大口徑光學材料製備技術取得了里程碑式的進展。
「不過，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，方能製成合格的主反射鏡。」徐令予將其比喻為萬里長征剛剛開始，前面還有許多路要走，可千萬大意不得。
曾經紅極一時的「哈勃」望遠鏡升空運作後，就因為反射鏡的加工曲率弄錯，導致張張照片「煙籠寒水月籠紗」，幸好及時做了精細的調整，才使其二十多年來碩果累累，對人類的太空探索作出了卓越的貢獻。
不過，路途的艱險，但並不影響業內人士對中科院長春光機所這項研究的期待，甚至徐令予覺得其在可見光波段的解析度與美國新一代「詹姆斯·韋伯」太空望遠鏡（直徑為6.5米）有得一拼。
期待更遠、更清晰
據了解，新一代的「詹姆斯·韋伯」太空望遠鏡反射鏡由鈹合金製成，但因受運載火箭的尺寸限制，其主反射鏡仍採取的是機械拼裝。主反射鏡被分割成18塊六角形的鏡片，發射後這些鏡片會在高精度的微型馬達和波面感測器的控制下展開成型。
「的確，拼接會影響圖像質量，但是從長遠來看，由組合可調鏡片構成大型太空反射鏡的技術遲早必須掌握。」徐令予向《中國科學報》記者透露，此次「詹姆斯·韋伯」太空望遠鏡反射鏡片上之所以鍍金膜，是因為金具有良好導電性與導熱性，它能高效地反射光波，減少冷熱不均的發生，這也與該望遠鏡工作範圍有關（工作波長為0.6到28.5微米，即可見光金色段到中紅外波段）。
其實，在主反射鏡的製造和使用材料方面，各國都在積極地創新探索。
比如，早在2013年，美國國防部高級研究計劃局就展示了基於塑料的可摺疊軌道望遠鏡鏡片，得益於柔性薄膜材料輕量化，且光學效率提高，可以實現同現有系統一樣的解析度的成像質量而重量只有現有系統的七分之一的驚人效果。
「未來，隨著中國在工程技術領域的諸多創新成果的應用，中國勢必在世界太空望遠鏡的格局中佔據一席之地。我們也會將視角觸及更遠、看得更清晰。」徐令予期待。
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