讓觀測更有底氣，空間大鏡面知多少_風聞

來源：中國航天報

近日，我國研製出全球最大的4米級口徑單體碳化硅光學反射鏡，將助力空間觀測。縱觀各國發射上天的大鏡面，取得了哪些重要觀測成果？科研人員需攻克哪些難關？未來，空間大鏡面有望藉助哪些技術，進一步提升性能？

磨礪“角膜”求極限

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對未知的好奇，促使人們極力眺望遠方，神話故事裏的“千里眼”就承載着人們追逐視覺極限的夢想，在空間觀測領域也不例外。

現代大口徑光學望遠鏡系統普遍採用反射式結構，其主鏡口徑直接決定了系統的分辨能力。如果將光學望遠鏡比作人類的“千里眼”，那麼主反射鏡就是“角膜”。也就是説，在其他條件不變的前提下，主反射鏡的口徑越大，光學望遠鏡越有望看得更遠、更清晰。

大口徑碳化硅光學鏡面

打個形象的比方，如果把1米口徑的主反射鏡安裝到空間相機中，足以在數百公里的軌道高度上看到地面汽車的輪廓；如果把主反射鏡口徑加大到4米，那就有可能清晰地看到汽車的天窗、後視鏡等。

據公開新聞報道稱，歷經9年探索、18個月加工“打磨”後，一塊直徑達4.03米、重達1.6噸的“巨鏡”在中國科學院長春光機所通過項目驗收。這是迄今世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡，不僅標誌着我國光學系統先進製造能力達到國際先進水平，也為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。

未來，一面面碳化硅巨鏡將承擔起採集百億光年外的宇宙信號、監測近地空間內無數塊微小碎片的重任。

更進一步，大口徑光學望遠鏡被部署到太空中，藉助精密的穩定系統，其在對地觀測、深空探測、天文觀測等領域的表現將是優秀且穩定的，理論上不會隨着時間流逝、軌道正常運行而出現較大誤差。

比如，哈勃空間望遠鏡藉助2.4米口徑的主反射鏡，全天候不間斷地對準宇宙深處。至今，“哈勃”進行了160多萬次觀測，成功探測到134億光年外的宇宙大爆炸時代信號，貢獻了超過2萬篇科學論文，為科學家們服務的時間遠遠超出15年設計壽命。

打造“巨鏡”不容易

自20世紀60年代以來，微電子、計算機、航天等諸多領域技術突飛猛進，大口徑光學望遠鏡製造領域卻幾乎沉寂了近半個世紀，罕有新的突破。

流體空間望遠鏡效果圖

難點在哪裏呢？以製造5米口徑的光學望遠鏡為例，主鏡如果使用整塊光學玻璃，厚度通常為口徑的1/60，需要單面打磨加工。為了減輕質量，有必要將其背面製成蜂窩狀。即便如此，主鏡自重仍達到約14.5噸，而加工前的玻璃毛坯更是重達59噸。

為了消除內部應力，玻璃熔鍊澆鑄後，需緩慢退火冷卻，僅這一道工序就很可能需要花費2年左右。從毛坯到成品，再到最後的鏡面加工，一道接一道研磨工藝需耗時7年左右。拋光後，要求鏡面表面精度為波長的1/10，即0.05微米，其加工難度和精度要求之高，可想而知。

鏡面製造完成，並不意味着萬事大吉，與大口徑望遠鏡配套的控制系統同樣面臨着嚴苛的要求。如果5米口徑的光學望遠鏡佈設在地面，其鏡筒和支架系統的可動部分質量將接近530噸。架起後，望遠鏡必須能夠靈活運轉，指向任一天體，而且跟蹤天體的週日視運動，保持極高的定位精度，還要考慮温度變化的影響，以及望遠鏡不同位置重力彎沉所產生的影響，對機械和控制系統的要求堪稱逼近工藝極限。蘇聯曾建成6米口徑的地面光學望遠鏡，可惜由於技術原因，未能產生重大價值成果。

對於在軌的空間光學望遠鏡來説，有利之處是基本上擺脱了地球大氣氣候和陽光散射的干擾，可以憑藉無支架的失重狀態，免除重力引發的非剛性誤差。如果再由航天員或太空機器人定期飛天維護，空間光學望遠鏡很可能長期服役，收穫意料之外的成果。“哈勃”就是經典案例，主鏡為整塊光學玻璃，直徑2.4米，放在長13米、直徑4.3米的鏡筒中，地面重約12.5 噸，但在太空中藉助一系列精密傳感器，確保時刻穩定地對準觀測目標。

此外，光學望遠鏡的材料選取令科研人員頗費心思。一般認為，製作大口徑光學反射鏡，碳化硅的綜合性能優於玻璃、金屬鈹等，其化學性能穩定，導熱快，受熱變形小。但是，碳化硅的硬度高，僅次於金剛石，相比微晶玻璃等材料，加工難度更大，尤其是追求大口徑時更容易發生斷裂、破碎。

據公開資料顯示，我國科研人員為了研製大口徑單體碳化硅光學反射鏡，開發了國內首台光學數控加工機牀，掌握了離軸非球面製造技術，先後突破消失模製作、凝膠注模成型、無應力反應連接等多項鏡坯製備關鍵技術，建立了大口徑碳化硅鏡坯製造平台，藉助磁流變技術，打造出一系列不同口徑的碳化硅反射鏡。

未來，我國將在軌運行巡天號光學艙，應用2米口徑碳化硅反射鏡製造技術，其科學目標涉及宇宙學、星系和活動星系核、銀河系及近鄰星系、恆星科學、系外行星與太陽系天體等，幫助人類探索並解答關於宇宙的物質構成、結構、演化等基本問題。

高新技術顯“神通”

在人類探索宇宙的進程中，大口徑空間光學望遠鏡貢獻了無數個令人鼓舞的成果，也將藉助技術進步，挑戰不可思議的更高性能。

由於加工疏忽，哈勃空間望遠鏡的光學系統存在較嚴重的球差，導致在軌初期拍照質量不佳。隨後，美國航天員執行了史無前例的空間精密維修任務，在“哈勃”光路上放置了僅有分幣大小的改正鏡，幫助空間望遠鏡“戴眼鏡矯正視力”，為日後更復雜的太空人機協作任務積累了寶貴經驗。

由於大口徑整塊玻璃主鏡的製作難度太大，科研人員提出了薄鏡鑲拼方案，組合若干塊六邊形鏡面，變相擴大了主鏡的口徑。以10米口徑的主鏡為例，如果採用整塊玻璃製造，厚度需達到1.5米以上，質量會超過150噸。但如果改用36塊六邊形鏡面組合，中央的六邊形不裝玻璃，作為通光孔，那麼每塊六邊形鏡面的直徑為1.8米，厚度僅需10釐米，拼合後的整體六邊形的最大直徑接近11米，反射面總面積超過75平方米，總質量比使用整塊玻璃方案減輕了90%，甚至輕於5米口徑的主鏡。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡就採用了此方案，組合直徑6.5米口徑的主鏡包含18塊單獨的六角鏡,每塊均可根據地球團隊的命令在空間中獨立排列部署。再配合次級反射鏡和三級精細轉向鏡，它提供了有史以來最清晰的紅外空間圖像，包括從宇宙大爆炸後的第一個發光點到星系、恆星、行星演化過程。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡的主鏡面由18塊六角鏡組合而成

空間望遠鏡主鏡的塗層和材質都將進一步提升觀測效果。比如，有望於2027年發射的美國羅曼空間望遠鏡的主鏡採用一種特殊的超膨脹玻璃整塊製成，直徑2.4米，與哈勃空間望遠鏡相同，但質量僅有186公斤，而且附着了不到400納米厚的銀塗層，相當於人的頭髮直徑的1/200。預計這種銀塗層能在太空中更出色地反射近紅外波段，從而捕捉到驚人的空間景觀,其視野將比哈勃空間望遠鏡大100倍。

除了這些遵循傳統思路的大口徑空間望遠鏡外，科研人員還在論證名為“流體空間望遠鏡”的新方案，爭取將其口徑增大至50米。簡單地説，新方案計劃利用離子液體和鎵合金合成的流體材料在微重力太空環境中的表面張力，使流體材料粘在環形框架的內表面上,自然形成彎曲狀。這種材料可以反光,因此內彎曲表面在理論上可以充當望遠鏡，並擴展到非常大的尺寸。而流體空間望遠鏡的另一個優點是,如果在太空中受到破壞,比如遭遇微隕石撞擊，能夠在短時間內自主修復。

人類探索宇宙未知的好奇心永無止境，相信未來會有更多方案新穎、工藝精良、效率倍增的大鏡面助力空間探測，揭示更多宇宙奧秘。