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中国打破技术壁垒研发巨型光学反射镜 可监控美航母

2018-01-15 23:03:35

  1月8日,2017年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂举行,我国四川成都光电所牵头完成的项目获国家技术发明奖一等奖(专用项目),这是光电所连续两年折桂该奖项,而拿下国家发明大奖的项目名称有点让人看不懂——“用于对地遥感卫星的先进空间微结构亚波长薄膜相机技术”,这里面什么是微结构亚波长薄膜相机?一层薄薄的薄膜可以做相机镜头?而且是在太空中造出一个侦察卫星来?怎么做到的呢。军事专家陈忠告诉记者,为了满足高轨道卫星高分辨率对地观测的要求,特别是新一代高性能侦察卫星的需要,美国、俄罗斯、法国和日本等国从上世纪末就开始研究新型光学成像技术,包括大口径单体反射镜成像技术、空间分块可展开反射成像技术、衍射成像技术、基于卫星编队的光学干涉合成孔径成像技术和稀疏孔径成像技术等,目前,前三类技术逐步走向工程化实施阶段,后两类技术由于技术难度过大,发展较为缓慢,还停留在实验室研究阶段。

  图片为我国自行研制的超大尺寸巨型光学反射镜,尺寸达到2.4米级主反射镜。

  希望通过增大成像镜片的尺寸来看的更清楚更远,目前世界常见的侦察卫星的轨道高度在400至900千米左右,其中最强的已美国“锁眼”-12后续卫星经可以实现0.05米级的成像分辨率,但这种卫星的镜头直径2米,整个卫星重达10多吨,其能看到的范围有限,类似于“锁眼”-12和“8X”(美军秘密雷达光学一体侦察卫星)这样的高级大型光学成像侦察卫星虽然可以采用低轨道提供了较高的分辨率,但这也使得常规低轨道光学成像侦察存在卫星重访同一个侦察地区的周期过长、覆盖侦察地域的范围小等缺点。我们以“锁眼”-12的运行周期为91分钟,这实际上等于一颗“锁眼”-12卫星对指定的某个区域侦察过顶时间只有不到2次,除非增加更多卫星,否则地面目标和人员完全可以对卫星侦察实施反侦察和战术规避。

  如果需要建立一个全球监控卫星群,需要几十颗这样的卫星,那样的造价就是个天文数字,只有一种可能性比较高的,办法就是制造一种具备高分辨率的地球同步轨道卫星,正所谓站的高,看的远,地球同步轨道卫星在距离地面36000千米的地方飞行,理论上在地球外轨道上的三颗等边均匀部署的地球同步轨道侦察卫星就可以实现全球同步侦察,但目前,这种侦察卫星的分辨率前仅为50米级,主要的原因是“光学镜片”不够大,成像能力不足,仅仅能在大海上发现航母这类大型目标,对于我国的要求肯定是不够的,虽然我国是世界上唯一拥有地球同步轨道侦察卫星的国家,但发展一种可以直接对美军海上航母编队的一举一动,都能实现实况直播的高级成像侦察卫星就显得十分重要了。

  为了解决这一问题,目前,世界各国主要采用大口径单体反射镜成像技术、空间分块可展开反射成像技术、衍射成像技术来解决看不清楚的问题,不过,对于反射成像系统,其反射镜必须经过镜坯研磨、轻量化、抛光、镀膜等复杂的加工工艺。美、欧等技术发达国家目前仅能制造3至4米级空间应用的单体反射镜,其中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,其镜片研制成本十分高昂,我国长春光机所在近年来通过攻关解决了大直径成像光学镜片的加工技术难关,已经可以制造4米级的碳化硅主反射镜,并采取一次性整体烧结成型技术,其重量仅为“世界第一镜片”的3分之一,而其分辨率将达到空前的1米级,如果一切顺利,这种新型地球同步轨道侦察卫星将在五年内升空。等等,这个和上面的薄膜没什么关系吧?对对,那个薄膜就更厉害了。

  衍射光学薄膜成像侦察卫星的想象图。

  上世纪90年代以来,美国国防先进研究项目局(DARPA)开始研制一种衍射光学薄膜技术,这层薄膜和我们常见的塑料大棚的材质类似,不过上面有一层层特殊涂层,增加了其强度以及反射成像能力,也就是一种可展开光学薄膜反射镜技术,装备有这种技术的卫星入轨后,就像在太空中撑开一个雨伞,甚至可以展开直径为20米的衍射光学薄膜,卫星凝视视场超过一千万平方千米,分辨率高达2.5米,如果制造成40米的“镜片”,就可以实现对航母上飞机和飞行人员的一举一动实施实况直播,几年前,美军的“莫尔纹”衍射光学薄膜技术项目开始研制5米口径光学薄膜成像系统的地面原理样机。2013年4月,美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室向鲍尔公司交付了6块边长约0.8米、面积约0.4平方米的梯形衍射薄膜。随后,鲍尔公司对6块薄膜进行了拼装,制成了主镜1/8扇区的衍射镜片,并开展了光学系统的测试工作,不过,美国人这次慢了。

  2014年,我国成都光电所首次完成了直径400毫米的薄膜望远镜研制,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。目前,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,我国计划造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。(作者署名:军情视野)

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