地球“一顰一笑” 空間反射鏡盡收“眼底”

中國航天科技集團(tuán)有限公司五院508所工作人員為“千里眼”進(jìn)行相機裝調(diào)。受訪者供圖

臺風(fēng)在傳統(tǒng)氣象衛(wèi)星“眼”中是一個云團(tuán)，但我國首顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星高分四號攜載的“千里眼”相機，可以看清臺風(fēng)中心結(jié)構(gòu)及其演化機理，這讓我國的臺風(fēng)預(yù)測邁入“準(zhǔn)確”時代。

日前，高分四號與其他“小伙伴”密切配合，在監(jiān)測中心附近風(fēng)力高達(dá)14—15級的今年第8號臺風(fēng)“瑪莉亞”的任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，持續(xù)緊盯“瑪莉亞”，取得了它的衛(wèi)星影像及相關(guān)數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星的“千里眼”是怎樣“煉”成的？相當(dāng)于其“眼球”的核心部件空間反射鏡是什么？國際上最先進(jìn)的空間反射鏡長什么樣？未來研究方向主要有哪些？為此，科技日報記者前往衛(wèi)星“千里眼”的締造者、我國最早從事空間光學(xué)遙感器的研制單位——中國航天科技集團(tuán)有限公司五院508所，采訪了我國空間光學(xué)遙感領(lǐng)域?qū)＜彝跣∮潞涂臻g反射鏡鏡頭裝調(diào)專家王昀。

輕量化、剛度強、不變形

“鏡頭”對材料要求苛刻

哈勃望遠(yuǎn)鏡是一臺著名的空間望遠(yuǎn)鏡，它實現(xiàn)了天文學(xué)家看清宇宙的夢想。地球上的居民如何看到地球上發(fā)生了什么，這就需要一臺望向地球的太空望遠(yuǎn)鏡，它的學(xué)名叫對地遙感觀測系統(tǒng)。

本質(zhì)上，太空望遠(yuǎn)鏡和地面上的望遠(yuǎn)鏡原理基本相同。但地球被大氣層包裹，從地面看太空的大氣擾動大，直接導(dǎo)致看不清甚至“看花眼”。衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)成熟后，人們就把望遠(yuǎn)鏡“打”到太空去看宇宙和地球，大家驚異于太空中影像的清晰程度，人類探索太空、監(jiān)測地球的能力也極大增強。

但是，太空環(huán)境對太空望遠(yuǎn)鏡材料是一個不小的考驗，特別是望遠(yuǎn)鏡的核心部件空間反射鏡，能否扛得住這種苛刻環(huán)境？

王小勇告訴記者，空間反射鏡的材料目前已有玻璃、碳化硅陶瓷、鈹以及多種復(fù)合材料。一般的玻璃材料滿足不了太空望遠(yuǎn)鏡需求，因為太空中熱環(huán)境很不好，要求材料有很低的膨脹性，幾乎是零膨脹才行。于是發(fā)展出膨脹系數(shù)小于1×10-6量級的微晶玻璃，還有美國發(fā)明的超低膨脹石英玻璃（ULE），后者就用在了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡上。

通過衛(wèi)星將“大鏡子”打到預(yù)定軌道，有一個要求是“大鏡子”不能太重，于是人們試著解決材料輕量化問題，比如在微晶玻璃背面打輕量化孔，呈蜂窩狀，減重至原來的15%—10%。

衛(wèi)星運載發(fā)射時的力學(xué)環(huán)境很不好，相當(dāng)于一個很重的重物壓在“大鏡子”身上，同時全程震動和顛簸，“大鏡子”必須剛強才不易受外界干擾變形。于是，熱變形系數(shù)和剛度這兩個重要參數(shù)成為光學(xué)材料的基本要求。

后來人們發(fā)現(xiàn)碳化硅陶瓷不僅熱變形系數(shù)低，剛度遠(yuǎn)超玻璃材料，而且重量很輕，于是陶瓷也成為很重要的光學(xué)反射鏡材料。王小勇說：“508所研制的高分二號衛(wèi)星以及我國最大規(guī)模商業(yè)衛(wèi)星高景一號相機，采用的都是碳化硅材料的反射鏡。”

近年來，在元素周期表里排第四的金屬鈹以強大優(yōu)勢廣泛應(yīng)用在反射鏡材料上，美國預(yù)計于2020年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡主材料就是金屬鈹。這種材料在40K（零下233攝氏度左右）的低溫下膨脹系數(shù)為零，非常適合在此溫度下工作的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡。我國中巴資源一號衛(wèi)星上的紅外相機也率先采用了金屬鈹，這臺相機傾注了508所的智慧和力量。

“國際上使用的材料我國基本都用了，我們還在進(jìn)一步研發(fā)更輕質(zhì)的復(fù)合纖維材料，以及高強度、高剛度的多孔結(jié)構(gòu)材料。508所精密光學(xué)制造中心近年來積累了不少經(jīng)驗。”王小勇說。

光學(xué)加工、精密裝調(diào)

打造超級“太空之眼”重要環(huán)節(jié)

“材料是一個方面，空間反射鏡的光學(xué)加工和精密裝調(diào)是‘太空之眼’誕生的另一個重要方面。”王昀告訴記者，和普通的眼球不同，“太空之眼”的眼球口徑達(dá)米級，面形精度要求幾納米之內(nèi)。經(jīng)過銑磨、研拋、精修和鍍膜等多道工序流程，歷經(jīng)機械能、光、聲、電化學(xué)、化學(xué)等多種能量的綜合考驗后，一個完整、高效、優(yōu)質(zhì)的“眼球”宣告誕生。

“近年來，我們開展了詳盡的工藝試驗和關(guān)鍵技術(shù)突破，不僅大大提高了高精尖設(shè)備的使用效率，還在部分技術(shù)指標(biāo)上突破了設(shè)備的固有極限。我們研制了多塊高精度光學(xué)元件，如用于大口徑干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡的Ф800mm楔形標(biāo)準(zhǔn)透鏡，該透鏡加工精度達(dá)到3納米，且通過了第三方驗證，達(dá)到國內(nèi)最高水平，相當(dāng)于在4.3平方公里的范圍內(nèi)，將表面的微觀起伏度控制在頭發(fā)絲直徑以內(nèi)。”王小勇解釋道。

“眼球”完美成型之后，如何與其他組件協(xié)同工作呢？那么，就要經(jīng)過光學(xué)裝配與調(diào)整，也就是依據(jù)運動學(xué)原理，通過適當(dāng)?shù)男Ｕ驼{(diào)節(jié)工藝及檢測手段，經(jīng)過清潔、連接、檢驗、調(diào)整、緊固、試驗等環(huán)節(jié)，把“眼球”和相關(guān)組件放在正確位置組合聯(lián)接，最終讓它們有機地系統(tǒng)工作并達(dá)到設(shè)計要求。

“近年來，面對‘太空之眼’產(chǎn)品種類多、研制周期緊、個性化定制、技術(shù)指標(biāo)向國際先進(jìn)水平看齊等特點，我們開展多項光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)與測試技術(shù)的攻關(guān)，攻克了計算機輔助裝調(diào)等十余項關(guān)鍵技術(shù)，形成了光學(xué)裝調(diào)自主的核心競爭力。”王昀說，“檢測裝調(diào)效果的一個函數(shù)稱為質(zhì)量因子，是裝調(diào)質(zhì)量的實際值與理論值之比值，這個值越高說明裝調(diào)的效果越好，目前508所的相機裝調(diào)效果最高可達(dá)0.95，而國內(nèi)0.9已屬領(lǐng)先。”

折疊或樂高式搭建、擴大整流罩

增大口徑和提高分辨率成全球趨勢

王小勇介紹，光學(xué)反射鏡的口徑越大，衍射效應(yīng)越小，意味著光的匯聚能力越強，分辨率就越高。從全球范圍來看，空間反射鏡的口徑發(fā)展趨勢是越做越大。不過，通過火箭發(fā)射上天的空間反射鏡，除了不能太重，也要注意自己的尺寸，否則就面臨放不進(jìn)火箭4.5米整流罩中的尷尬。

“大口徑的反射鏡未來將采用折疊或者在軌重裝的方式來研制，前者是將反射鏡分割成多塊，到達(dá)軌道上時跟撐傘一樣打開；后者就像搭積木一樣在空間中搭建反射鏡。這是目前世界各國研發(fā)新一代反射鏡的第一條路徑。508所也在進(jìn)行這方面的研發(fā)和嘗試。”王昀表示。

然而，增大口徑和提高分辨率必然帶來研制難度的加大。比如折疊起來的大口徑反射鏡在太空中撐開，如何保證它的面形起伏度和發(fā)射前一樣？如何在太空中檢測其面形起伏度？“大鏡子”切成幾塊折疊，再展開如何高精度吻合在一起？如果像搭積木一樣地組裝，依靠什么儀器來控制？這些都還是未解難題。

“目前是將發(fā)射鏡調(diào)好發(fā)射到太空，將來是在太空中調(diào)整反射鏡。”王小勇表示，發(fā)射過程中有強大震動，口徑小相對位置改變還在接受范圍內(nèi)，大口徑反射鏡的相對位置則會改變毫米量級，這意味著精度差出106倍。在地面上，調(diào)整反射鏡有龐大的廠房和很多人員，而折疊反射鏡要在其展開后慢慢地糾正回最高精度。

另一條路徑，就是將整流罩空間擴大來搭載大口徑反射鏡，目前美國正在進(jìn)行相關(guān)研究。“大口徑反射鏡發(fā)射到太空中，由于失重反彈的變形量可達(dá)毫米，反射鏡就失效了。鏡子越大，重力變形影響越大，整個制造難度也在加大。”王小勇表示，兩條技術(shù)路線均有爭議，但同時都在進(jìn)行試驗。（實習(xí)記者 唐芳）