资讯首页   焦点新闻   国内新闻    国际新闻   产经新闻    深度解读    技术前沿   航天政策法规     视频    

太空望远镜: “慧眼”识得天外天

时间:2016年05月27日 信息来源:《中国科学报》 点击: 【字体:

  太空中工作的太空望远镜


当人们还沉浸在去年我国首个商用遥感卫星组星“吉林一号”带来惊喜的时候,一则来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所自主研制出直径4.03米的单体碳化硅反射镜坯的消息,更是引来社会各界的无限遐想。


原因在于,“吉林一号”的反射镜直径仅为0.624米,在轨的光学分辨率是0.72米,便可以清楚看到北京长安街、鸟巢、水立方等标志性道路和建筑,并且主要街道上行驶的车辆更是清晰可见。


“如果‘吉林一号’换上这块直径4.03米的反射镜后,分辨率将达0.1米,不仅地面上汽车型号可以看得一清二楚,甚至你在空旷野地上干点坏事,都会被尽收眼底。”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校物理系研究员徐令予感叹道:举头三尺有“神明”,遥感摄影下难有隐私。


而在这令人惊叹,甚至还有些恐惧的背后,其实是太空望远镜发挥的“功力”。


反射镜是成像关键


作为光学望远镜的一种,太空望远镜是天文学家的主要观测工具之一,不仅让众多天文学家获取到更为清晰、可供研究探索的图像,社会民生、军事等领域也深受其益。


而光学望远镜可以分为折射和反射两大类。折射而式望远镜的物镜是凸透镜,通过凸透镜对远处目标光线的折射而成像,从而增大观察的视角;反射式望远镜的物镜是凹面镜,通过对远处目标光线的反射而成像。


“目前,太空望远镜多为反射式望远镜,因为反射式望远镜成像时,光线不需透过主反射镜的材料本身,因而对材料的光学穿透性能没有特殊要求,镜面又仅需加工一个反射面,加工比较容易,主反射镜的重量相较透镜也可轻得多,并且还无色差。”徐令予表示,这其中的关键部件就是主反射镜,它就好比人的眼睛、相机的镜头,其大小和加工精度直接决定了望远镜的功能和成像质量


那么,反射镜的尺寸是不是越大就越好呢?面对《中国科学报》记者提问,徐令予给出的答案是:“大有大的难处。”理由在于:尺寸越大,就可能带来重量的变化,而航天工程是锱铢必较,这就必然引发对反射镜材料的关注。


“反射镜必须使用不易变形的刚性材料,并且热涨冷缩一定要控制到最小,因为外太空的温差极大,温差引起的变形会严重损害望远镜成像质量。此外,还要有一定弹性,可以经受运载工具升空时的加速度和振动的恶劣环境,同时还要易于做表面精密加工。”徐令予说。


优质材料仍需细雕琢


目前,用于太空望远镜的主反射镜的材料主要有:超低膨胀系数石英玻璃(ULE)、铍(Be)和碳化硅。而碳化硅和铍合金一直被视为是太空望远镜的主反射镜材料的最佳选择。


碳化硅材料的最大的好处是反射镜背后可做成中空网格状,这不仅大大减轻了重量,而且也加强了结构的稳定度。此外,它的热传导率非常好,反射镜各处的温度不会有太大区别,研发者就不担心反射镜整体表面的冷热不均。


但即便是同样的碳化硅材料也有几种不同的成型方式。“最好的方法是化学气相沉积CVD方法。通常做法是先用反应烧结法(RB)形成碳化硅毛坯,然后在此基础上用CVD方法生成一层碳化硅的外膜,然后再经精细加工和打磨,从而制成最好的主反射镜。”徐令予告诉记者。


过去,掌握该项技术的顶尖强国是美、法两家,俄罗斯和日本位居其后。目前世界最大尺寸的碳化硅反射镜直径为3.5米,它是法国为欧洲“赫歇尔”红外望远镜制造的主反射镜。


“但这个不是整体烧结的,而是分块烧制后机械拼接的,那么,拼接处一定会引入光的干涉现象,严重影响望远镜成像质量。”徐令予说。


而此次中科院长春光机所则采用的是整体烧结,直径达4.03米,技术优势十分明显。


据中科院长春光机所官方网站介绍,该镜坯采用背部半封闭轻量化结构,实现了陶瓷材料的近净尺寸成型,是目前为止世界上公开报道口径最大的碳化硅反射镜坯。该成果实现了大口径光学材料自主可控;制造装备、研制工艺等拥有自主知识产权,为大型光电系统的研制提供了可靠的技术保障,标志着我国大口径光学材料制备技术取得了里程碑式的进展。


“不过,这仅是反射镜的毛坯,还要作CVD沉积、精加工和打磨等多道工序,方能制成合格的主反射镜。”徐令予将其比喻为万里长征刚刚开始,前面还有许多路要走,可千万大意不得。


曾经红极一时的“哈勃”望远镜升空运作后,就因为反射镜的加工曲率弄错,导致张张照片“烟笼寒水月笼纱”,幸好及时做了精细的调整,才使其二十多年来硕果累累,对人类的太空探索作出了卓越的贡献。


不过,路途的艰险,但并不影响业内人士对中科院长春光机所这项研究的期待,甚至徐令予觉得其在可见光波段的分辨率与美国新一代“詹姆斯·韦伯”太空望远镜(直径为6.5米)有得一拼。


期待更远、更清晰


据了解,新一代的“詹姆斯·韦伯”太空望远镜反射镜由铍合金制成,但因受运载火箭的尺寸限制,其主反射镜仍采取的是机械拼装。主反射镜被分割成18块六角形的镜片,发射后这些镜片会在高精度的微型马达和波面传感器的控制下展开成型。


“的确,拼接会影响图像质量,但是从长远来看,由组合可调镜片构成大型太空反射镜的技术迟早必须掌握。”徐令予向《中国科学报》记者透露,此次“詹姆斯·韦伯”太空望远镜反射镜片上之所以镀金膜,是因为金具有良好导电性与导热性,它能高效地反射光波,减少冷热不均的发生,这也与该望远镜工作范围有关(工作波长为0.6到28.5微米,即可见光金色段到中红外波段)。


其实,在主反射镜的制造和使用材料方面,各国都在积极地创新探索。


比如,早在2013年,美国国防部高级研究计划局就展示了基于塑料的可折叠轨道望远镜镜片,得益于柔性薄膜材料轻量化,且光学效率提高,可以实现同现有系统一样的分辨率的成像质量而重量只有现有系统的七分之一的惊人效果。


“未来,随着中国在工程技术领域的诸多创新成果的应用,中国势必在世界太空望远镜的格局中占据一席之地。我们也会将视角触及更远、看得更清晰。”徐令予期待。


(作者:张思玮)
返回顶部