颱風在傳統氣象衛星 '眼' 中是一個雲團, 但我國首顆地球同步軌道遙感衛星高分四號攜載的 '千裡眼' 相機, 可以看清颱風中心結構及其演化機理, 這讓我國的颱風預測邁入 '準確' 時代.
日前, 高分四號與其他 '小夥伴' 密切配合, 在監測中心附近風力高達14—15級的今年第8號颱風 '瑪莉亞' 的任務中表現優異, 持續緊盯 '瑪莉亞' , 取得了它的衛星影像及相關數據.
衛星的 '千裡眼' 是怎樣 '煉' 成的? 相當於其 '眼球' 的核心部件空間反射鏡是什麼? 國際上最先進的空間反射鏡長什麼樣? 未來研究方向主要有哪些? 為此, 科技日報記者前往衛星 '千裡眼' 的締造者, 我國最早從事空間光學遙感器的研製單位——中國航天科技集團有限公司五院508所, 採訪了我國空間光學遙感領域專家王小勇和空間反射鏡鏡頭裝調專家王昀.
輕量化, 剛度強, 不變形
'鏡頭' 對材料要求苛刻
哈勃望遠鏡是一台著名的空間望遠鏡, 它實現了天文學家看清宇宙的夢想. 地球上的居民如何看到地球上發生了什麼, 這就需要一台望向地球的太空望遠鏡, 它的學名叫對地遙感觀測系統.
本質上, 太空望遠鏡和地面上的望遠鏡原理基本相同. 但地球被大氣層包裹, 從地面看太空的大氣擾動大, 直接導致看不清甚至 '看花眼' . 衛星發射技術成熟後, 人們就把望遠鏡 '打' 到太空去看宇宙和地球, 大家驚異於太空中影像的清晰程度, 人類探索太空, 監測地球的能力也極大增強.
但是, 太空環境對太空望遠鏡材料是一個不小的考驗, 特別是望遠鏡的核心部件空間反射鏡, 能否扛得住這種苛刻環境?
王小勇告訴記者, 空間反射鏡的材料目前已有玻璃, 碳化矽陶瓷, 鈹以及多種複合材料. 一般的玻璃材料滿足不了太空望遠鏡需求, 因為太空中熱環境很不好, 要求材料有很低的膨脹性, 幾乎是零膨脹才行. 於是發展出膨脹係數小於1×10-6量級的微晶玻璃, 還有美國發明的超低膨脹石英玻璃 (ULE) , 後者就用在了哈勃空間望遠鏡的主鏡上.
通過衛星將 '大鏡子' 打到預定軌道, 有一個要求是 '大鏡子' 不能太重, 於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%.
衛星運載發射時的力學環境很不好, 相當於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幹擾變形. 於是, 熱變形係數和剛度這兩個重要參數成為光學材料的基本要求.
後來人們發現碳化矽陶瓷不僅熱變形係數低, 剛度遠超玻璃材料, 而且重量很輕, 於是陶瓷也成為很重要的光學反射鏡材料. 王小勇說: '508所研製的高分二號衛星以及我國最大規模商業衛星高景一號相機, 採用的都是碳化矽材料的反射鏡. '
近年來, 在元素周期表裡排第四的金屬鈹以強大優勢廣泛應用在反射鏡材料上, 美國預計於2020年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡主材料就是金屬鈹. 這種材料在40K (零下233攝氏度左右) 的低溫下膨脹係數為零, 非常適合在此溫度下工作的詹姆斯·韋伯望遠鏡. 我國中巴資源一號衛星上的紅外相機也率先採用了金屬鈹, 這台相機傾注了508所的智慧和力量.
'國際上使用的材料我國基本都用了, 我們還在進一步研發更輕質的複合纖維材料, 以及高強度, 高剛度的多孔結構材料. 508所精密光學製造中心近年來積累了不少經驗. ' 王小勇說.
光學加工, 精密裝調
打造超級 '太空之眼' 重要環節
'材料是一個方面, 空間反射鏡的光學加工和精密裝調是 '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' 的眼球口徑達米級, 面形精度要求幾納米之內. 經過銑磨, 研拋, 精修和鍍膜等多道工序流程, 曆經機械能, 光, 聲, 電化學, 化學等多種能量的綜合考驗後, 一個完整, 高效, 優質的 '眼球' 宣告誕生.
'近年來, 我們開展了詳盡的工藝試驗和關鍵技術突破, 不僅大大提高了高精尖設備的使用效率, 還在部分技術指標上突破了設備的固有極限. 我們研製了多塊高精度光學元件, 如用於大口徑幹涉儀標準鏡的Ф800mm楔形標準透鏡, 該透鏡加工精度達到3納米, 且通過了第三方驗證, 達到國內最高水平, 相當於在4.3平方公裡的範圍內, 將表面的微觀起伏度控制在頭髮絲直徑以內. ' 王小勇解釋道.
'眼球' 完美成型之後, 如何與其他組件協同工作呢? 那麼, 就要經過光學裝配與調整, 也就是依據運動學原理, 通過適當的校正和調節工藝及檢測手段, 經過清潔, 連接, 檢驗, 調整, 緊固, 試驗等環節, 把 '眼球' 和相關組件放在正確位置組合聯接, 最終讓它們有機地系統工作並達到設計要求.
'近年來, 面對 '太空之眼' 產品種類多, 研製周期緊, 個性化定製, 技術指標向國際先進水平看齊等特點, 我們開展多項光學系統裝調與測試技術的攻關, 攻克了計算機輔助裝調等十餘項關鍵技術, 形成了光學裝調自主的核心競爭力. ' 王昀說, '檢測裝調效果的一個函數稱為質量因子, 是裝調質量的實際值與理論值之比值, 這個值越高說明裝調的效果越好, 目前508所的相機裝調效果最高可達0.95, 而國內0.9已屬領先. '
摺疊或樂高式搭建, 擴大整流罩
增大口徑和提高解析度成全球趨勢
王小勇介紹, 光學反射鏡的口徑越大, 衍射效應越小, 意味著光的匯聚能力越強, 解析度就越高. 從全球範圍來看, 空間反射鏡的口徑發展趨勢是越做越大. 不過, 通過火箭發射上天的空間反射鏡, 除了不能太重, 也要注意自己的尺寸, 否則就面臨放不進火箭4.5米整流罩中的尷尬.
'大口徑的反射鏡未來將採用摺疊或者在軌重裝的方式來研製, 前者是將反射鏡分割成多塊, 到達軌道上時跟撐傘一樣開啟; 後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新一代反射鏡的第一條路徑. 508所也在進行這方面的研發和嘗試. ' 王昀表示.
然而, 增大口徑和提高解析度必然帶來研製難度的加大. 比如摺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' 切成幾塊摺疊, 再展開如何高精度吻合在一起? 如果像搭積木一樣地組裝, 依靠什麼 儀器 來控制? 這些都還是未解難題.
'目前是將發射鏡調好發射到太空, 將來是在太空中調整反射鏡. ' 王小勇表示, 發射過程中有強大震動, 口徑小相對位置改變還在接受範圍內, 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, 調整反射鏡有龐大的廠房和很多人員, 而摺疊反射鏡要在其展開後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, 目前美國正在進行相關研究. '大口徑反射鏡發射到太空中, 由於失重反彈的變形量可達毫米, 反射鏡就失效了. 鏡子越大, 重力變形影響越大, 整個製造難度也在加大. ' 王小勇表示, 兩條技術路線均有爭議, 但同時都在進行試驗.
