六年鑄一鏡，光彩照乾坤

六年鑄一鏡，光彩照乾坤

新華社４月27日的一條新聞引起了我極大的興趣：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所近日成功自主研製出直徑4.03米的單體碳化矽反射鏡坯。

P1)直徑4.03米的單體碳化矽反射鏡坯。

圖片中的大園盤就是一塊碳化矽的毛坯，待進一步加工、表麵處理和打磨後將成為大型高等級望遠鏡的主反射鏡。去年升空運行的“吉林一號”遙感衛星使用的就是長光所提供的早一代產品，直徑僅為0.624米的碳化矽反射鏡。下圖是直徑為2.4米的碳化矽反射鏡的背麵，正麵和拋光後的光輝形象。

P2)圖片左上為反射鏡坯反麵的半封閉輕量化結構，右上為反射鏡坯正麵，圖下為2.4米拋光後的主反射鏡。

現代天文望遠鏡和太空望遠鏡大多數是反射式望遠鏡，而反射式望遠鏡的核心技術就是那塊主反射鏡。主反射鏡的直徑決定了望遠鏡的最高分辨率。按瑞利判據得到的極限分辨角是：1.22×波長÷直徑，反射鏡直徑越大，分辨角越小，視力就越鋭利，可以把遠處觀察物的細節辨別得更清楚。反射鏡直徑為0.6米的“吉林一號”在軌的光學分辨率是0.72米，在首幅影像打印圖上，可以看到北京長安街、鳥巢、水立方等標誌性建築，主要街道上行駛的車輛也清晰可見。如果“吉林一號”換上今日這塊直徑4米的反射鏡後，不難推算出分辨率將達0.1米，地麵上汽車型號都可以看得一清二楚。以後空曠野地壞事真做不得，舉頭三尺有“神明”，遙感攝影下難有隠私啊。裝備該種望遠鏡的衛星的軍事用途也毋用贅述了。

反射鏡的尺寸雖然越大越好，但“大有大的難處”。首先越大就越重，航天工程是錙銖必計，不是斤斤計較，而是克克計較，所以反射鏡的材料必須是輕而又輕。反射鏡的幾何尺寸決定了光學成像的質量，必須精密到光波波長的量級，因而反射鏡必須使用不易變形的剛性材料。而且材料的熱漲冷縮一定要控製到最小，因為外太空的溫差極大，溫差引起的變形會嚴重損害望遠鏡成像質量。另外要求材料要有一定彈性，可以經受運載工具升空時的加速度和振動的惡烈環境。同時還要易於作表麵精密加工。總之對反射鏡材料的要求十分苛刻，輕、硬、韌、穏、精，缺一不可。

目前各國使用的反射鏡材料主要就是：超低膨脹係數石英玻璃（ULE)，鈹（Be）和碳化矽。從表中不難看出，碳化矽確實是反射鏡材料的上佳選擇。同樣的碳化矽材料還有幾種不同的成形方式，最好的方法是化學氣相沉積CVD方法，但是CVD法製作效率太差。通常的做法是先用反應燒結法（RB）形成碳化矽毛坯（見圖1），在此基礎上用CVD方法生成一層碳化矽的外膜，然後再經精細加工和打磨，從而製成最好的反射鏡。

過去掌握該項技術的頂尖強國是美、法兩家，俄羅斯和日本殿後。目前世界最大尺寸的碳化矽反射鏡直徑為3.5米，它就是法國為歐洲“赫歇爾”紅外望遠鏡製造的主反射鏡。但這個不是整體燒結的，而是分塊燒製後機械拚接的。

P3)法國為歐洲“赫歇爾”紅外望遠鏡製造的主反射鏡。

而中國長春光機所是整體燒結，直徑達4米，後來者居上，技術優勢十分明顯。當然這僅是反射鏡的毛坯，還要作CVD沉積，精加工和打磨等多道工序，方能製成合格的主反射鏡。如果用萬裏長征作比喻，長光所的研製小組剛結束了湘江血戰，他們還要飛奪瀘定橋和奇襲蠟子口，前麵還有許多路要走，可千萬大意不得。

在製作太空望遠鏡的反射鏡上，美國NASA可是有過血的教訓的。大名鼎鼎的美國哈勃太空望遠鏡使用的是2.4米的反射鏡。在上世紀七、八十年代受條件限製，反射鏡用的材料隻能是康寧玻璃公司提供的超低膨脹係數石英玻璃。這塊主反射鏡重達一千公斤，而長光所的4米直徑反射鏡總重估計不會超過四百公斤，兩種材料密度雖然相差不大，但碳化矽材料的背後可做成半封閉輕量化結構，所以大大減輕了反射鏡自重，同時也減少了支撐結構的額外負重，這就是技術超越。

P4)哈勃主反射鏡的加工過程和升空前的靚照

上麵照片顯示哈勃望遠鏡的反射鏡的打磨工序和整裝待運，真是“雄姿英發”。誰料及，一場災難真在逼近，NASA英名掃地，跟頭就栽在了這塊反射鏡上。

哈勃望遠鏡升空運作後，拍攝的照片傳到地麵，一看嚇一跳，不是見到了什麽奇怪的天體星空，而是張張照片“煙朧寒水月朧紗”，作為藝術照倒是有些朦朧美，但作為科學探索卻一文不值，見圖左。仔細一查，問題就是這塊反射鏡的加工曲率弄錯了（過於平坦了約2.2微米），據說是一隻校正儀中多放了一片墊圈造成的。哈勃望遠鏡好像帶了一幅配錯了度數的眼鏡，難怪看出去一片模模糊糊，十多億美金差點當水漂。記得那是90年的下半年，NASA的頭兒真是天天在火上烤，電視上的脫口秀和媒體上的漫畫有事沒事都拿NASA來開銷（見圖6）。不幸中之大幸，哈勃運行軌道較低，NASA出動太空宇航員對哈勃作了“眼科手術”，終算平息了這場風波，圖右就是調整了主照機機鏡頭後得到的清晰照片。平心而論，哈勃太空望遠鏡帶傷不下火線，這二十多年來戰果累累，對人類的太空探索作出了卓越的貢獻。

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P7)哈勃太空望遠鏡接受眼科手術治療

一晃二十多年過去了，除了眼科手術外，哈勃望遠鏡還作過大腦手術（換過電腦）和心髒手術（供電係統），它已經進入遲遲暮年了。它的接班人雖早已指定，但東宮太子似乎先天不足後天失調，長時間養在深宮無力繼位。這個稱為詹姆斯·韋伯的新一代太空望遠鏡（JWST），原計劃在2002年升空，但計劃一次次地被推遲，最新消息是2018年發射升空，但願這次是真的。不過美國百姓對此有的是耐心，反正誰也不會把這些事情與體製聯係起來，這點與中國很不一樣，至少與許多中國的公知們恰好相反，嗬嗬。

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P9)新一代太空望遠鏡韋伯的主反射鏡在裝配調試中

新的太空望遠鏡的第一看點還是那塊主反射鏡。這次的反射鏡由鈹合金製成，直徑達到6.5米，麵積為哈勃的5倍以上，可以期待它將具備遠超哈勃的深空探測能力。因為這麵反射鏡的尺寸比裝載發射它的火箭更大，主鏡隻能被分割成18塊六角形的鏡片，發射後這些鏡片會在高精度的微型馬達和波麵傳感器的控製下展開成形，詳見圖。機械拚裝的主反射鏡的缺點也是十分明顯的，拚縫處一定會引入光的幹涉現象，嚴重影響望遠鏡成像質量。但從長遠來看，由組合可調鏡片構成大型太空反射鏡的技術遲早必須掌握，因為運載火箭的尺寸畢竟總是有限的，而對大尺寸主反射鏡的需求卻是剛性的。

P10)向著深空去探索宇宙早期之謎

新一代韋伯太空望遠鏡的最重要使命是研究宇宙中的星係、恒星和行星如何形成，特別是要探索第一批恒星和星係在宇宙早期的形成過程。根據大爆炸模型，這些在早期生成的天體因為宇宙膨脹到達了遙遠的深空，所以必須使用大口徑高分辨率的太空望遠鏡。而且越遠的天體膨脹速度越快，紅移效應更明顯，所以觀察手段集中在紅外波段，望遠鏡工作範圍從0.6到28.5微米，即可見光金色段到中紅外波段。這也是為什麽在韋伯的鈹合金的主反射鏡片上鍍了金膜。金的良好導電性能可以高效地反射光波，金的良好的導熱性也可減少冷熱造成的分佈應力的積聚，使用金膜帶來多種好處，據說整個韋伯反射鏡用去的金子大約相當一個網球重量。

吸取了哈勃的教訓，這次對韋伯的各項設備的測試十分全麵和嚴格。因為韋伯太空望遠鏡運行位置離開地球約一百五十萬公裏外，如再有問題，送太空宇航員去修理將成為“不可能的任務”。韋伯太空望遠鏡的總裝和測試就放在諾斯羅普·格魯曼公司位於南加州的總部，離我家僅十多分鍾車程，我常開車經過，真想能進去近距離親眼看看。

P11)將於2018年升空的韋伯太空望遠鏡的示意圖

整個韋伯太空望遠鏡項目由美國、加拿大和歐洲22國共同開發、管理和使用，西方就是不帶中國一起玩。大口徑高質量的主反射鏡是建設太空望遠鏡的技術突破口，今日長光所開發的這塊4米直徑的碳化矽毛坯可能表達了這樣一個態度：中國決定獨自也要玩玩太空望遠鏡。我估計這塊4米直徑的碳化矽主反射鏡會用在太空中，4米直徑裝進長征五號升空應該沒有問題。如果4米直徑的碳化矽反射鏡用在可見光波段，它的分辨率與韋伯很接近，這場太空競爭會有好戲可看。

我在今年年初的博文“十年磨一劍，亮劍華山巔”中表達了這樣一個觀點：中國在工程技術趕超的步子非常迅猛，有些領域已經成為全球領跑者，特別在與數理密切相關的電子電器工程領域有最卓越的表演。今日4米直徑碳化矽反射鏡坯的新聞使得我必須作出新的思考，中國工程師在新材料研發上的潛力同樣令人震驚。總之中國工程技術的趕超計劃是又穏又準又狠。最令世人矚目的應該還是這支龐大、年輕、訓練有素的工程技術人員隊伍，請再仔細看一看照片上圍在那塊反射鏡毛坯邊上的人們吧，他們幾乎個個都是早晨八九點鍾的小太陽，世界總究是屬於他們這一代人的，什麽力量也擋不住他們。祝願他們早日用這塊毛坯加工出世界上最大最好的碳化矽反射鏡，為製成中國自己的太空望遠鏡建功立業，為中國爭光，為中華兒女爭氣。

P1)自古英雄出少年，天下豪傑誰敵手？