近日，我国研制出全球最大的4米级口径单体碳化硅光学反射镜，将助力空间观测。纵观各国发射上天的大镜面，取得了哪些重要观测成果？科研人员需攻克哪些难关？未来，空间大镜面有望借助哪些技术，进一步提升性能？

磨砺“角膜”求极限

对未知的好奇，促使人们极力眺望远方，神话故事里的“千里眼”就承载着人们追逐视觉极限的梦想，在空间观测领域也不例外。

现代大口径光学望远镜系统普遍采用反射式结构，其主镜口径直接决定了系统的分辨能力。如果将光学望远镜比作人类的“千里眼”，那么主反射镜就是“角膜”。也就是说，在其他条件不变的前提下，主反射镜的口径越大，光学望远镜越有望看得更远、更清晰。

大口径碳化硅光学镜面

打个形象的比方，如果把1米口径的主反射镜安装到空间相机中，足以在数百公里的轨道高度上看到地面汽车的轮廓；如果把主反射镜口径加大到4米，那就有可能清晰地看到汽车的天窗、后视镜等。

据公开新闻报道称，历经9年探索、18个月加工“打磨”后，一块直径达4.03米、重达1.6吨的“巨镜”在中国科学院长春光机所通过项目验收。这是迄今世界上口径最大的单体碳化硅反射镜，不仅标志着我国光学系统先进制造能力达到国际先进水平，也为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。

未来，一面面碳化硅巨镜将承担起采集百亿光年外的宇宙信号、监测近地空间内无数块微小碎片的重任。

更进一步，大口径光学望远镜被部署到太空中，借助精密的稳定系统，其在对地观测、深空探测、天文观测等领域的表现将是优秀且稳定的，理论上不会随着时间流逝、轨道正常运行而出现较大误差。

比如，哈勃空间望远镜借助2.4米口径的主反射镜，全天候不间断地对准宇宙深处。至今，“哈勃”进行了160多万次观测，成功探测到134亿光年外的宇宙大爆炸时代信号，贡献了超过2万篇科学论文，为科学家们服务的时间远远超出15年设计寿命。

打造“巨镜”不容易

自20世纪60年代以来，微电子、计算机、航天等诸多领域技术突飞猛进，大口径光学望远镜制造领域却几乎沉寂了近半个世纪，罕有新的突破。

流体空间望远镜效果图

难点在哪里呢？以制造5米口径的光学望远镜为例，主镜如果使用整块光学玻璃，厚度通常为口径的1/60，需要单面打磨加工。为了减轻质量，有必要将其背面制成蜂窝状。即便如此，主镜自重仍达到约14.5吨，而加工前的玻璃毛坯更是重达59吨。

为了消除内部应力，玻璃熔炼浇铸后，需缓慢退火冷却，仅这一道工序就很可能需要花费2年左右。从毛坯到成品，再到最后的镜面加工，一道接一道研磨工艺需耗时7年左右。抛光后，要求镜面表面精度为波长的1/10，即0.05微米，其加工难度和精度要求之高，可想而知。

镜面制造完成，并不意味着万事大吉，与大口径望远镜配套的控制系统同样面临着严苛的要求。如果5米口径的光学望远镜布设在地面，其镜筒和支架系统的可动部分质量将接近530吨。架起后，望远镜必须能够灵活运转，指向任一天体，而且跟踪天体的周日视运动，保持极高的定位精度，还要考虑温度变化的影响，以及望远镜不同位置重力弯沉所产生的影响，对机械和控制系统的要求堪称逼近工艺极限。苏联曾建成6米口径的地面光学望远镜，可惜由于技术原因，未能产生重大价值成果。

对于在轨的空间光学望远镜来说，有利之处是基本上摆脱了地球大气气候和阳光散射的干扰，可以凭借无支架的失重状态，免除重力引发的非刚性误差。如果再由航天员或太空机器人定期飞天维护，空间光学望远镜很可能长期服役，收获意料之外的成果。“哈勃”就是经典案例，主镜为整块光学玻璃，直径2.4米，放在长13米、直径4.3米的镜筒中，地面重约12.5 吨，但在太空中借助一系列精密传感器，确保时刻稳定地对准观测目标。

此外，光学望远镜的材料选取令科研人员颇费心思。一般认为，制作大口径光学反射镜，碳化硅的综合性能优于玻璃、金属铍等，其化学性能稳定，导热快，受热变形小。但是，碳化硅的硬度高，仅次于金刚石，相比微晶玻璃等材料，加工难度更大，尤其是追求大口径时更容易发生断裂、破碎。

据公开资料显示，我国科研人员为了研制大口径单体碳化硅光学反射镜，开发了国内首台光学数控加工机床，掌握了离轴非球面制造技术，先后突破消失模制作、凝胶注模成型、无应力反应连接等多项镜坯制备关键技术，建立了大口径碳化硅镜坯制造平台，借助磁流变技术，打造出一系列不同口径的碳化硅反射镜。

未来，我国将在轨运行巡天号光学舱，应用2米口径碳化硅反射镜制造技术，其科学目标涉及宇宙学、星系和活动星系核、银河系及近邻星系、恒星科学、系外行星与太阳系天体等，帮助人类探索并解答关于宇宙的物质构成、结构、演化等基本问题。

高新技术显“神通”

在人类探索宇宙的进程中，大口径空间光学望远镜贡献了无数个令人鼓舞的成果，也将借助技术进步，挑战不可思议的更高性能。

由于加工疏忽，哈勃空间望远镜的光学系统存在较严重的球差，导致在轨初期拍照质量不佳。随后，美国航天员执行了史无前例的空间精密维修任务，在“哈勃”光路上放置了仅有分币大小的改正镜，帮助空间望远镜“戴眼镜矫正视力”，为日后更复杂的太空人机协作任务积累了宝贵经验。

由于大口径整块玻璃主镜的制作难度太大，科研人员提出了薄镜镶拼方案，组合若干块六边形镜面，变相扩大了主镜的口径。以10米口径的主镜为例，如果采用整块玻璃制造，厚度需达到1.5米以上，质量会超过150吨。但如果改用36块六边形镜面组合，中央的六边形不装玻璃，作为通光孔，那么每块六边形镜面的直径为1.8米，厚度仅需10厘米，拼合后的整体六边形的最大直径接近11米，反射面总面积超过75平方米，总质量比使用整块玻璃方案减轻了90%，甚至轻于5米口径的主镜。

詹姆斯·韦布空间望远镜就采用了此方案，组合直径6.5米口径的主镜包含18块单独的六角镜,每块均可根据地球团队的命令在空间中独立排列部署。再配合次级反射镜和三级精细转向镜，它提供了有史以来最清晰的红外空间图像，包括从宇宙大爆炸后的第一个发光点到星系、恒星、行星演化过程。

詹姆斯·韦布空间望远镜的主镜面由18块六角镜组合而成

空间望远镜主镜的涂层和材质都将进一步提升观测效果。比如，有望于2027年发射的美国罗曼空间望远镜的主镜采用一种特殊的超膨胀玻璃整块制成，直径2.4米，与哈勃空间望远镜相同，但质量仅有186公斤，而且附着了不到400纳米厚的银涂层，相当于人的头发直径的1/200。预计这种银涂层能在太空中更出色地反射近红外波段，从而捕捉到惊人的空间景观,其视野将比哈勃空间望远镜大100倍。

除了这些遵循传统思路的大口径空间望远镜外，科研人员还在论证名为“流体空间望远镜”的新方案，争取将其口径增大至50米。简单地说，新方案计划利用离子液体和镓合金合成的流体材料在微重力太空环境中的表面张力，使流体材料粘在环形框架的内表面上,自然形成弯曲状。这种材料可以反光,因此内弯曲表面在理论上可以充当望远镜，并扩展到非常大的尺寸。而流体空间望远镜的另一个优点是,如果在太空中受到破坏,比如遭遇微陨石撞击，能够在短时间内自主修复。

人类探索宇宙未知的好奇心永无止境，相信未来会有更多方案新颖、工艺精良、效率倍增的大镜面助力空间探测，揭示更多宇宙奥秘。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》