地球“一颦一笑” 空间反射镜尽收“眼底”

2018年08月02日08:26  来源:科技日报
 

中国航天科技集团有限公司五院508所工作人员为“千里眼”进行相机装调。受访者供图

台风在传统气象卫星“眼”中是一个云团,但我国首颗地球同步轨道遥感卫星高分四号携载的“千里眼”相机,可以看清台风中心结构及其演化机理,这让我国的台风预测迈入“准确”时代。

日前,高分四号与其他“小伙伴”密切配合,在监测中心附近风力高达14—15级的今年第8号台风“玛莉亚”的任务中表现优异,持续紧盯“玛莉亚”,取得了它的卫星影像及相关数据。

卫星的“千里眼”是怎样“炼”成的?相当于其“眼球”的核心部件空间反射镜是什么?国际上最先进的空间反射镜长什么样?未来研究方向主要有哪些?为此,科技日报记者前往卫星“千里眼”的缔造者、我国最早从事空间光学遥感器的研制单位——中国航天科技集团有限公司五院508所,采访了我国空间光学遥感领域专家王小勇和空间反射镜镜头装调专家王昀。

轻量化、刚度强、不变形

“镜头”对材料要求苛刻

哈勃望远镜是一台著名的空间望远镜,它实现了天文学家看清宇宙的梦想。地球上的居民如何看到地球上发生了什么,这就需要一台望向地球的太空望远镜,它的学名叫对地遥感观测系统。

本质上,太空望远镜和地面上的望远镜原理基本相同。但地球被大气层包裹,从地面看太空的大气扰动大,直接导致看不清甚至“看花眼”。卫星发射技术成熟后,人们就把望远镜“打”到太空去看宇宙和地球,大家惊异于太空中影像的清晰程度,人类探索太空、监测地球的能力也极大增强。

但是,太空环境对太空望远镜材料是一个不小的考验,特别是望远镜的核心部件空间反射镜,能否扛得住这种苛刻环境?

王小勇告诉记者,空间反射镜的材料目前已有玻璃、碳化硅陶瓷、铍以及多种复合材料。一般的玻璃材料满足不了太空望远镜需求,因为太空中热环境很不好,要求材料有很低的膨胀性,几乎是零膨胀才行。于是发展出膨胀系数小于1×10-6量级的微晶玻璃,还有美国发明的超低膨胀石英玻璃(ULE),后者就用在了哈勃空间望远镜的主镜上。

通过卫星将“大镜子”打到预定轨道,有一个要求是“大镜子”不能太重,于是人们试着解决材料轻量化问题,比如在微晶玻璃背面打轻量化孔,呈蜂窝状,减重至原来的15%—10%。

卫星运载发射时的力学环境很不好,相当于一个很重的重物压在“大镜子”身上,同时全程震动和颠簸,“大镜子”必须刚强才不易受外界干扰变形。于是,热变形系数和刚度这两个重要参数成为光学材料的基本要求。

后来人们发现碳化硅陶瓷不仅热变形系数低,刚度远超玻璃材料,而且重量很轻,于是陶瓷也成为很重要的光学反射镜材料。王小勇说:“508所研制的高分二号卫星以及我国最大规模商业卫星高景一号相机,采用的都是碳化硅材料的反射镜。”

近年来,在元素周期表里排第四的金属铍以强大优势广泛应用在反射镜材料上,美国预计于2020年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜主材料就是金属铍。这种材料在40K(零下233摄氏度左右)的低温下膨胀系数为零,非常适合在此温度下工作的詹姆斯·韦伯望远镜。我国中巴资源一号卫星上的红外相机也率先采用了金属铍,这台相机倾注了508所的智慧和力量。

“国际上使用的材料我国基本都用了,我们还在进一步研发更轻质的复合纤维材料,以及高强度、高刚度的多孔结构材料。508所精密光学制造中心近年来积累了不少经验。”王小勇说。

光学加工、精密装调

打造超级“太空之眼”重要环节

“材料是一个方面,空间反射镜的光学加工和精密装调是‘太空之眼’诞生的另一个重要方面。”王昀告诉记者,和普通的眼球不同,“太空之眼”的眼球口径达米级,面形精度要求几纳米之内。经过铣磨、研抛、精修和镀膜等多道工序流程,历经机械能、光、声、电化学、化学等多种能量的综合考验后,一个完整、高效、优质的“眼球”宣告诞生。

“近年来,我们开展了详尽的工艺试验和关键技术突破,不仅大大提高了高精尖设备的使用效率,还在部分技术指标上突破了设备的固有极限。我们研制了多块高精度光学元件,如用于大口径干涉仪标准镜的Ф800mm楔形标准透镜,该透镜加工精度达到3纳米,且通过了第三方验证,达到国内最高水平,相当于在4.3平方公里的范围内,将表面的微观起伏度控制在头发丝直径以内。”王小勇解释道。

“眼球”完美成型之后,如何与其他组件协同工作呢?那么,就要经过光学装配与调整,也就是依据运动学原理,通过适当的校正和调节工艺及检测手段,经过清洁、连接、检验、调整、紧固、试验等环节,把“眼球”和相关组件放在正确位置组合联接,最终让它们有机地系统工作并达到设计要求。

“近年来,面对‘太空之眼’产品种类多、研制周期紧、个性化定制、技术指标向国际先进水平看齐等特点,我们开展多项光学系统装调与测试技术的攻关,攻克了计算机辅助装调等十余项关键技术,形成了光学装调自主的核心竞争力。”王昀说,“检测装调效果的一个函数称为质量因子,是装调质量的实际值与理论值之比值,这个值越高说明装调的效果越好,目前508所的相机装调效果最高可达0.95,而国内0.9已属领先。”

折叠或乐高式搭建、扩大整流罩

增大口径和提高分辨率成全球趋势

王小勇介绍,光学反射镜的口径越大,衍射效应越小,意味着光的汇聚能力越强,分辨率就越高。从全球范围来看,空间反射镜的口径发展趋势是越做越大。不过,通过火箭发射上天的空间反射镜,除了不能太重,也要注意自己的尺寸,否则就面临放不进火箭4.5米整流罩中的尴尬。

“大口径的反射镜未来将采用折叠或者在轨重装的方式来研制,前者是将反射镜分割成多块,到达轨道上时跟撑伞一样打开;后者就像搭积木一样在空间中搭建反射镜。这是目前世界各国研发新一代反射镜的第一条路径。508所也在进行这方面的研发和尝试。”王昀表示。

然而,增大口径和提高分辨率必然带来研制难度的加大。比如折叠起来的大口径反射镜在太空中撑开,如何保证它的面形起伏度和发射前一样?如何在太空中检测其面形起伏度?“大镜子”切成几块折叠,再展开如何高精度吻合在一起?如果像搭积木一样地组装,依靠什么仪器来控制?这些都还是未解难题。

“目前是将发射镜调好发射到太空,将来是在太空中调整反射镜。”王小勇表示,发射过程中有强大震动,口径小相对位置改变还在接受范围内,大口径反射镜的相对位置则会改变毫米量级,这意味着精度差出106倍。在地面上,调整反射镜有庞大的厂房和很多人员,而折叠反射镜要在其展开后慢慢地纠正回最高精度。

另一条路径,就是将整流罩空间扩大来搭载大口径反射镜,目前美国正在进行相关研究。“大口径反射镜发射到太空中,由于失重反弹的变形量可达毫米,反射镜就失效了。镜子越大,重力变形影响越大,整个制造难度也在加大。”王小勇表示,两条技术路线均有争议,但同时都在进行试验。(唐 芳)

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