空间光学系统技术大揭秘：太空之眼的“晶状体”

作者：陈健（中国科学院上海硅酸盐研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

空间光学成像系统是指在空间利用光学设备对空间和地球进行观测与研究的系统，一般包括空间望远镜和对地观测遥感系统。其中空间望远镜是因为地球的大气层对许多波段光波的天文观测影响很大，天文学家便将望远镜移到太空中，可以不受大气层的干扰得到更精确的天文信息，而对地观测遥感系统则是依托空间飞行器作为遥感平台，利用可见光、红外光、微波等电磁波谱段对地球进行观测的系统。

如果把空间光学成像系统看作是太空观测体系的“眼睛”，那空间反射镜就是眼睛的“晶状体”。其口径大小、材质种类、结构形式等对空间光学成像的分辨率、灵敏度等性能水平起决定性作用。

图1 眼睛成像示意图

图2 空间光学系统

图3 地球观测脑示意图

一般来说，反射镜口径越大，成像效果就越好。但随着反射镜口径的增大，光学系统的质量会急剧增加，使得卫星平台的难度增大，甚至超出火箭的运载能力。因此轻量化技术需要新的突破。

轻量化技术主要表现在材料、加工制造、结构设计等方面。理想的反射镜材料应当具有低密度、高弹性模量、低热膨胀系数、高热导率、均匀微观结构等特点。国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、超低膨胀石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍、聚合物薄膜以及碳纤维/碳化硅复合材料。

图4 熔石英反射镜

图5 金属铍反射镜

图6 碳化硅反射镜

图7 碳纤维/碳化硅复合材料反射镜

图8 检测中的反射镜

*注：图6-7为反射镜轻量化背面结构，图8为反射镜正面，正面经抛光和改性后比我们平常看到的镜面还要光亮，可反射可见光、红外光等。

各式各样使用反射镜的空间光学系统

世界各国非常重视大口径反射镜的研制。目前欧空局的赫歇尔（Herschel）空间天文台反射镜的尺寸已经达到3.5米，为空间望远镜之冠，由碳化硅陶瓷材料制成。美国在空间遥感系统的发展最为引人关注，其锁眼12（KH-12）军事侦查卫星反射镜口径达3米，以强化铝材料为单元，对地分辨率达0.1米。

遥感卫星在商业方面的应用非常广泛，可以应用于地球观测定位、国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域。在商业遥感卫星领域，2001年美国DigitalGlobe公司的QuickBird-2号就做到了0.61米全色分辨率，光学系统口径0.6米，以微晶玻璃为材料；后来的美国GeoEye公司的Geoeye-1号达到了0.41米分辨率，其成像系统所使用反射镜口径1.1米，以超低膨胀石英玻璃为材料；此后，DigitalGlobe公司的WorldView-2号也做到了0.46米分辨率，2014年8月发射的高光谱的WorldView-3号卫星的分辨率更是达到了0.31米，为商业遥感领域之冠，这两颗遥感卫星的反射镜口径均为1.1米，以微晶玻璃为材料。

2017年11月2日，美国航天局正式宣布：韦布空间望远镜（JWST）经过20年努力终于建造完成。该望远镜口径为6.5米，是史上最大红外/光学空间望远镜。其反射镜由金属铍制成，面密度小于15千克/平方米。在进行深度测试后，这架空间望远镜将计划于2019上半年在法属圭亚那，通过欧空局的阿丽亚娜5号运载火箭发射升空，成为口径2.4米的哈勃空间望远镜的接班人。

图9 测试中的韦布空间望远镜镜主镜及在太空状态示意图

被欧美垄断的反射镜制造核心技术

在反射镜基体制备技术方面，以美国的康宁（Corning）公司和德国肖特（Schott）公司为代表的传统光学玻璃材料制造商研发的超低膨胀石英玻璃（ULE®）和微晶玻璃（Zerodur®）最为著名，他们已经具备制造4米级空间反射镜基体的能力，例如哈勃空间望远镜的主镜便使用了ULE材料。

不过，随着空间对地观测水平和要求的不断提升，碳化硅材料已成为大口径反射镜的主流材料，在2000年以后获得了广泛应用。在碳化硅反射镜研制方面，国际上主要由美国、法国、德国和日本的一些公司所控制。另外美国发展了一种超薄可控薄膜材料作为空间反射镜材料，可实现超轻、超大口径的光学系统。薄膜反射镜根据不同的控制手段主要分为充气膜反射镜、静电拉伸薄膜反射镜及光致形变薄膜反射镜。目前世界上最先进的薄膜反射镜口径可达3.6m，厚度52μm，面密度80g/m2。

目前，美国和以法国、德国为代表的欧洲仍然垄断着大口径反射镜制造的核心技术。其中美国不仅在公司数量上多于欧洲，而且在生产能力、技术水平方面也远胜于欧洲。

在20世纪90年代，我国1米以下口径空间反射镜材料一直依赖进口，以德国产微晶玻璃材料为主，也有碳化硅陶瓷材料。2000年后，中国科学院上海硅酸盐研究所在国内率先开展了大口径碳化硅陶瓷材料制备技术，哈尔滨工业大学、中国科学院长春光机所、国防科技大学分别在反应烧结碳化硅、碳纤维增强碳化硅的制造技术方面取得了一些进展。上海硅酸盐所在2005年研制出满足工程应用要求的520毫米碳化硅反射镜。

与此同时，中国科学院南京天光所、北京理工大学、浙江大学、中国科学院长春光机所开展了大口径反射镜数控加工技术为代表的大口径反射镜加工技术研究。目前中国科学院南京天光所、成都光电所等单位都具备1.5m量级反射镜光学加工能力。同时这些单位在碳化硅反射镜检测、表面改性、光学镀膜等一系列技术方面也取得突破。历经近三十年的时间，国内已将大口径反射镜的制造能力从0.5米提高到1.5米量级。

目前，上海硅酸盐所是国际上仅有的2～3家可以研制1米以上口径碳化硅反射镜并实现型号应用的单位之一。从2009年以来，上海硅酸盐所研制的碳化硅反射镜已经应用于17颗卫星的24台航天遥感成像相机，并实现高可靠在轨运行，例如高分辨率对地观测卫星高分一号、二号、四号、九号，商业高分辨率遥感卫星高景一号系列星，气象卫星风云四号，世界首颗量子科学实验卫星墨子号等。

其中高分系列卫星主要用于地球观测、国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域。高分一号地面分辨率（全色）优于2米，高分二、九号分辨率优于1米，高分四号为目前世界上空间分辨率最高（全色分辨率50米）、幅宽最大（全色幅宽500千米）的地球同步轨道遥感卫星。2016年发射的高景一号01/02卫星由两颗0.5米分辨率的光学卫星组成，具有专业级的图像质量、高敏捷的机动性、丰富的成像模式和高集成的电子系统等技术特点，打破了我国0.5米级商业遥感数据被国外垄断的现状，也标志着国产遥感数据水平正式迈入国际一流行列。

图10 高分四号卫星影像图

2018年1月9日，高景一号03/04卫星成功发射，实现了高景一号四星组网，观测效能大幅提高，可达全球任意地区一天内重访，全球80%以上地区可实现每天两次重访，同时可实现“准实传”，即边拍边传，大幅提高在轨图像传输效率。

图11 高景一号卫星影像图

风云四号是2016年发射的地球同步轨道气象卫星，可见光分辨率500米，风云四号的研制是遥感红外光谱技术的一场革命，早先美国、欧洲都在朝这个方向努力，但在2006年由于技术难度过大，所需经费太多，美国放弃，欧洲也大幅度调整计划，风云四号是一颗领先于西方的气象卫星，在国际上首次实现地球静止轨道的大气高光谱垂直探测，并与成像辐射计共平台，可联合进行大气多通道成像观测和高光谱垂直探测。上海硅酸盐所为这些卫星的研制提供了关键的光学系统反射镜材料。

下一代空间反射镜

在超大口径空间轻量化复合材料反射镜研制方面，美国、日本、欧洲已经着手布局。在美国的下一代空间望远镜研制计划（NGST）中，亚利桑那大学为美国航天局马歇尔空间中心研制了2米口径超轻型空间反射镜。该反射镜采用碳纤维复合材料作为刚性基座，基座上安装阵列排布的微位移器，微位移器上方是一层厚2毫米的超薄玻璃镜片。反射镜的面形精度可通过微位移器的电致伸缩在一定程度上实现能动调节。该反射镜的总质量为40千克，面密度仅13千克/平方米，该研究计划的最终目的是研制8米口径空间反射镜，设计总质量约623千克。此外，美国戈达德空间中心正在研制8米口径的多片展开式反射镜，洛克希德·马丁（Lockheed Martin）公司也在研究6米口径超薄展开式反射镜。日本三菱公司与德国ECM公司合作开发了一种碳纤维/碳化硅复合材料（HB-CeSiC®），计划用在下一代中远红外空间望远镜SPICA的3.5米口径空间反射镜上。

碳纤维/碳化硅复合材料（C/SiC）是通过在碳化硅陶瓷基体中引入一定含量的高性能碳纤维，然后通过特定的制备工艺复合而成的陶瓷基复合材料。它既保留了碳化硅陶瓷的低密度、高比刚度、高热导、耐高温、耐腐蚀、耐辐照等优异性能，同时由于在碳化硅基体中引入了密度更低、强度更高、韧性更佳的高性能碳纤维材料，又表现出类似金属材料的延性破坏特征，使其可靠性得到大幅度提升。同时，由于增强性碳纤维的强韧化作用还克服了碳化硅基体脆性断裂的失效行为，表现出了更优的轻量化加工特性。其优良的综合力学性能和低密度有利于获得更低面积密度。因此，新型超轻型碳化硅复合材料反射镜将是未来跨尺度超大口径空间反射镜发展的趋势之一。

在未来空间反射镜的研制方面，我国也取得了巨大的进展。有资料显示我国研制的单体碳化硅反射镜镜坯直径已达4.03米，但未见工程应用的报道。我国C/SiC复合材料反射镜的研究尚处于起步阶段，目前从事相关研究的单位有中科院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学和国防科技大学，国内目前已具备米级口径复合材料反射镜的研制能力。另外据新闻报道，2014年我国成都光电所首次完成了直径400毫米的薄膜反射镜研制，在国内首次实现了直径400毫米的微结构薄膜望远镜宽波段（0.49μm至0.68μm）成像系统的成功研制。同时中科院光电技术研究所在科技部地球观测与导航专项—“静止轨道高分辨率轻型成像相机系统技术”支持下，获得了巨大技术突破，领先美国国防先进研究项目局接近5年的研制进度。目前，我国先进薄膜成像光学系统现阶段正从原理样机研制到工程样机研制过渡，我国计划于2020年前率先完成13米级薄膜成像光学系统研制，2025年之前实现卫星升空。

总之，我国超大口径反射镜的研究能力和装备水平与国外先进水平相比还有一定的差距，开展超大口径轻量化空间反射镜研究已经迫在眉睫。