六年铸一镜，光彩照乾坤
新华社４月27日的一条新闻引起了我极大的兴趣：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近日成功自主研制出直径4.03米的单体碳化硅反射镜坯。
P1)直径4.03米的单体碳化硅反射镜坯。
图片中的大园盘就是一块碳化硅的毛坯，待进一步加工、表面处理和打磨后将成为大型高等级望远镜的主反射镜。去年升空运行的“吉林一号”遥感卫星使用的就是长光所提供的早一代产品，直径仅为0.624米的碳化硅反射镜。下图是直径为2.4米的碳化硅反射镜的背面，正面和抛光后的光辉形象。
P2)图片左上为反射镜坯反面的半封闭轻量化结构，右上为反射镜坯正面，图下为2.4米抛光后的主反射镜。
现代天文望远镜和太空望远镜大多数是反射式望远镜，而反射式望远镜的核心技术就是那块主反射镜。主反射镜的直径决定了望远镜的最高分辨率。按瑞利判据得到的极限分辨角是：1.22×波长÷直径，反射镜直径越大，分辨角越小，视力就越鋭利，可以把远处观察物的细节辨别得更清楚。反射镜直径为0.6米的“吉林一号”在轨的光学分辨率是0.72米，在首幅影像打印图上，可以看到北京长安街、鸟巢、水立方等标志性建筑，主要街道上行驶的车辆也清晰可见。如果“吉林一号”换上今日这块直径4米的反射镜后，不难推算出分辨率将达0.1米，地面上汽车型号都可以看得一清二楚。以后空旷野地坏事真做不得，举头三尺有“神明”，遥感摄影下难有隠私啊。装备该种望远镜的卫星的军事用途也毋用赘述了。
反射镜的尺寸虽然越大越好，但“大有大的难处”。首先越大就越重，航天工程是锱铢必计，不是斤斤计较，而是克克计较，所以反射镜的材料必须是轻而又轻。反射镜的几何尺寸决定了光学成像的质量，必须精密到光波波长的量级，因而反射镜必须使用不易变形的刚性材料。而且材料的热涨冷缩一定要控制到最小，因为外太空的温差极大，温差引起的变形会严重损害望远镜成像质量。另外要求材料要有一定彈性，可以经受运载工具升空时的加速度和振动的恶烈环境。同时还要易于作表面精密加工。总之对反射镜材料的要求十分苛刻，轻、硬、韧、穏、精，缺一不可。
目前各国使用的反射镜材料主要就是：超低膨胀系数石英玻璃（ULE)，铍（Be）和碳化硅。从表中不难看出，碳化硅确实是反射镜材料的上佳选择。同样的碳化硅材料还有几种不同的成形方式，最好的方法是化学气相沉积CVD方法，但是CVD法制作效率太差。通常的做法是先用反应烧结法（RB）形成碳化硅毛坯（见图1），在此基礎上用CVD方法生成一层碳化硅的外膜，然后再经精细加工和打磨，从而制成最好的反射镜。
过去掌握该项技术的顶尖强国是美、法两家，俄罗斯和日本殿后。目前世界最大尺寸的碳化硅反射镜直径为3.5米，它就是法国为欧洲“赫歇尔”红外望远镜制造的主反射镜。但这个不是整体烧结的，而是分块烧制后机械拼接的。
P3)法国为欧洲“赫歇尔”红外望远镜制造的主反射镜。
而中国长春光机所是整体烧结，直径达4米，后来者居上，技术优势十分明显。当然这仅是反射镜的毛坯，还要作CVD沉积，精加工和打磨等多道工序，方能制成合格的主反射镜。如果用万里长征作比喻，长光所的研制小组刚结束了湘江血战，他们还要飞夺泸定桥和奇袭蜡子口，前面还有许多路要走，可千万大意不得。
在制作太空望远镜的反射镜上，美国NASA可是有过血的教训的。大名鼎鼎的美国哈勃太空望远镜使用的是2.4米的反射镜。在上世纪七、八十年代受条件限制，反射镜用的材料只能是康宁玻璃公司提供的超低膨胀系数石英玻璃。这块主反射镜重达一千公斤，而长光所的4米直径反射镜总重估计不会超过四百公斤，两种材料密度虽然相差不大，但碳化硅材料的背后可做成半封闭轻量化结构，所以大大减轻了反射镜自重，同时也减少了支撑结构的额外负重，这就是技术超越。
P4)哈勃主反射镜的加工过程和升空前的靓照
上面照片显示哈勃望远镜的反射镜的打磨工序和整装待运，真是“雄姿英发”。谁料及，一场災难真在逼近，NASA英名扫地，跟头就栽在了这块反射镜上。
哈勃望远镜升空运作后，拍摄的照片传到地面，一看吓一跳，不是见到了什么奇怪的天体星空，而是张张照片“烟胧寒水月胧纱”，作为艺术照倒是有些朦胧美，但作为科学探索却一文不值，见图左。仔细一查，问题就是这块反射镜的加工曲率弄错了（过于平坦了约2.2微米），据说是一只校正仪中多放了一片垫圈造成的。哈勃望远镜好像带了一幅配错了度数的眼镜，难怪看出去一片模模糊糊，十多亿美金差点当水漂。记得那是90年的下半年，NASA的头儿真是天天在火上烤，电视上的脱口秀和媒体上的漫画有事没事都拿NASA来开销（见图6）。不幸中之大幸，哈勃运行轨道较低，NASA出动太空宇航员对哈勃作了“眼科手术”，终算平息了这场风波，图右就是调整了主照机机镜头后得到的清晰照片。平心而论，哈勃太空望远镜带伤不下火线，这二十多年来战果累累，对人类的太空探索作出了卓越的贡献。
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P7)哈勃太空望远镜接受眼科手术治疗
一晃二十多年过去了，除了眼科手术外，哈勃望远镜还作过大脑手术（换过电脑）和心脏手术（供电系统），它已经进入迟迟暮年了。它的接班人虽早已指定，但东宫太子似乎先天不足后天失调，长时间养在深宫无力继位。这个称为詹姆斯·韦伯的新一代太空望远镜（JWST），原计划在2002年升空，但计划一次次地被推迟，最新消息是2018年发射升空，但愿这次是真的。不过美国百姓对此有的是耐心，反正谁也不会把这些事情与体制联系起来，这点与中国很不一样，至少与许多中国的公知们恰好相反，呵呵。
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P9)新一代太空望远镜韦伯的主反射镜在装配调试中
新的太空望远镜的第一看点还是那块主反射镜。这次的反射镜由铍合金制成，直径达到6.5米，面积为哈勃的5倍以上，可以期待它将具备远超哈勃的深空探测能力。因为这面反射镜的尺寸比装载发射它的火箭更大，主镜只能被分割成18块六角形的镜片，发射后这些镜片会在高精度的微型马达和波面传感器的控制下展开成形，详见图。机械拼装的主反射镜的缺点也是十分明显的，拼缝处一定会引入光的干涉现象，严重影响望远镜成像质量。但从长远来看，由组合可调镜片构成大型太空反射镜的技术迟早必须掌握，因为运载火箭的尺寸毕竟总是有限的，而对大尺寸主反射镜的需求却是刚性的。
P10)向着深空去探索宇宙早期之谜
新一代韦伯太空望远镜的最重要使命是研究宇宙中的星系、恒星和行星如何形成，特别是要探索第一批恒星和星系在宇宙早期的形成过程。根据大爆炸模型，这些在早期生成的天体因为宇宙膨胀到达了遥远的深空，所以必须使用大口径高分辨率的太空望远镜。而且越远的天体膨胀速度越快，红移效应更明显，所以观察手段集中在红外波段，望远镜工作范围从0.6到28.5微米，即可见光金色段到中红外波段。这也是为什么在韦伯的铍合金的主反射镜片上镀了金膜。金的良好导电性能可以高效地反射光波，金的良好的导热性也可减少冷热造成的分佈应力的积聚，使用金膜带来多种好处，据说整个韦伯反射镜用去的金子大约相当一个网球重量。
吸取了哈勃的教训，这次对韦伯的各项设备的测试十分全面和严格。因为韦伯太空望远镜运行位置离开地球约一百五十万公里外，如再有问题，送太空宇航员去修理将成为“不可能的任务”。韦伯太空望远镜的总装和测试就放在诺斯罗普·格鲁曼公司位于南加州的总部，离我家仅十多分钟车程，我常开车经过，真想能进去近距离亲眼看看。
P11)将于2018年升空的韦伯太空望远镜的示意图
整个韦伯太空望远镜项目由美国、加拿大和欧洲22国共同开发、管理和使用，西方就是不带中国一起玩。大口径高质量的主反射镜是建设太空望远镜的技术突破口，今日长光所开发的这块4米直径的碳化硅毛坯可能表达了这样一个态度：中国决定独自也要玩玩太空望远镜。我估计这块4米直径的碳化硅主反射镜会用在太空中，4米直径装进长征五号升空应该没有问题。如果4米直径的碳化硅反射镜用在可见光波段，它的分辨率与韦伯很接近，这场太空竞争会有好戏可看。
我在今年年初的博文“十年磨一剑，亮剑华山巅”中表达了这样一个观点：中国在工程技术赶超的步子非常迅猛，有些领域已经成为全球领跑者，特别在与数理密切相关的电子电器工程领域有最卓越的表演。今日4米直径碳化硅反射镜坯的新闻使得我必须作出新的思考，中国工程师在新材料研发上的潜力同样令人震惊。总之中国工程技术的赶超计划是又穏又准又狠。最令世人瞩目的应该还是这支庞大、年轻、训练有素的工程技术人员队伍，请再仔细看一看照片上围在那块反射镜毛坯边上的人们吧，他们几乎个个都是早晨八九点钟的小太阳，世界总究是属于他们这一代人的，什么力量也挡不住他们。祝愿他们早日用这块毛坯加工出世界上最大最好的碳化硅反射镜，为制成中国自己的太空望远镜建功立业，为中国爭光，为中华儿女爭气。
P1)自古英雄出少年，天下豪杰谁敌手？
