8月23日，是天問一號(hào)遨游太空、追夢(mèng)火星13個(gè)月整，也是祝融號(hào)火星車平安在火星度過100天的日子，更是行駛里程突破1000米的關(guān)鍵一天。已圓滿完成既定使命的祝融號(hào)，狀態(tài)良好、步履穩(wěn)健、能源充足，后續(xù)將繼續(xù)向?yàn)跬邪钇皆喜康墓藕ｊ懡唤绲貛旭?，?shí)施拓展任務(wù)。
記者近日從中國科學(xué)院南京分院獲悉，中科院南京天文儀器有限公司（下稱“中科天儀”）研制的光學(xué)系統(tǒng)，用于本次火星探測(cè)計(jì)劃兩臺(tái)光學(xué)探測(cè)類科學(xué)載荷：祝融號(hào)火星車上的“火星表面成分探測(cè)儀”和火星環(huán)繞器上的“火星礦物光譜分析儀”，為此次火星探測(cè)任務(wù)作出了重要貢獻(xiàn)。
這兩臺(tái)光學(xué)載荷由中科院上海技術(shù)物理研究所牽頭研制?！盎鹦潜砻娉煞痔綔y(cè)儀”用于開展火星著陸區(qū)表面元素、礦物和巖石的高精度科學(xué)探測(cè)，“火星礦物光譜分析儀”則用于火星表面物質(zhì)成分調(diào)查和分析，目前這兩臺(tái)載荷均已順利開展科學(xué)探測(cè)，并成功下傳探測(cè)數(shù)據(jù)。
“如果說光學(xué)載荷是火星車上的‘千里眼’，那么它的光學(xué)系統(tǒng)就相當(dāng)于眼球的‘晶狀體’，用于匯聚光線，實(shí)現(xiàn)清晰成像?！薄爸锌铺靸x”科技處處長(zhǎng)朱慶生研究員科普道，光學(xué)載荷主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、成像器件和控制分析軟件四大部分組成，而光學(xué)系統(tǒng)是核心，它的主鏡、次鏡、施密特改正鏡和離軸反射鏡等光學(xué)鏡面，均是“中科天儀”組織核心科技力量為此次火星任務(wù)而專門攻關(guān)研制的產(chǎn)品。在此次探測(cè)任務(wù)中，這批光學(xué)鏡面的指標(biāo)精度完全符合設(shè)計(jì)要求，綜合性能表現(xiàn)良好。
如何讓這個(gè)小小的“晶狀體”到了火星后有效實(shí)現(xiàn)功能，成為科研團(tuán)隊(duì)一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。
“輕量化指標(biāo)極高”是團(tuán)隊(duì)接到任務(wù)后首先需要考慮的問題。地球與火星距離遙遠(yuǎn)，飛行時(shí)間漫長(zhǎng)，“輕量化”能減少系統(tǒng)質(zhì)量降低能量消耗，最大程度保證飛行成功，以及在前所未知的火星表面有效行動(dòng)。但是，高輕量化會(huì)導(dǎo)致鏡體的剛度下降，抗變形能力降低，鏡面的精度和穩(wěn)定性會(huì)下降，勢(shì)必會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)性能，故而必須解決上述問題。
為了克服困難，“中科天儀”科研團(tuán)隊(duì)在鏡體輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超輕量化鏡體加工與檢測(cè)等方面進(jìn)行集智攻關(guān)，并組建了各個(gè)任務(wù)團(tuán)隊(duì)，主要包括光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)鏡體和機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析仿真等工作；鏡體加工檢測(cè)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)鏡體輕量化結(jié)構(gòu)加工、高精度鏡面加工、鏡體鏡面檢測(cè)等工作；系統(tǒng)裝調(diào)檢測(cè)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)光學(xué)系統(tǒng)的裝配、性能調(diào)試、檢測(cè)等工作；生產(chǎn)管理團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備維護(hù)、質(zhì)量管理、安全生產(chǎn)等工作，最終圓滿克服了各種困難，完成了既定任務(wù)。
為了“祝融”能在火星上擁有“火眼金睛”，航天光學(xué)載荷需要具備高清晰成像功能。為此，設(shè)計(jì)單位采用了離軸多反非球面鏡系統(tǒng)，消除系統(tǒng)色差、抑制系統(tǒng)各類像差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無中心遮攔的清晰成像。朱慶生研究員告訴記者，離軸、多反、非球面這三個(gè)要求都是光學(xué)儀器研制的難點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三方面的極限技術(shù)要求，對(duì)于光學(xué)加工、裝調(diào)、檢測(cè)都提出了極高的要求。團(tuán)隊(duì)通過改進(jìn)離軸非球面鏡加工工藝、設(shè)計(jì)專用檢測(cè)工裝、發(fā)明離軸多反裝配和檢測(cè)方法等創(chuàng)新，圓滿解決了研制過程中的技術(shù)障礙。
在實(shí)際探測(cè)任務(wù)中，“中科天儀”這批光學(xué)鏡面的指標(biāo)精度也完全滿足了設(shè)計(jì)要求。為了滿足兩臺(tái)光學(xué)載荷的高精度探測(cè)要求，火星任務(wù)光學(xué)鏡面的精度指標(biāo)需要比通常光學(xué)儀器的鏡面精度更高，需要將實(shí)際鏡面與設(shè)計(jì)鏡面的誤差控制到納米量級(jí)，才能實(shí)現(xiàn)更清晰的成像，滿足高精度探測(cè)要求。這也是此次任務(wù)的另一大挑戰(zhàn)。
朱慶生研究員說，光學(xué)鏡面的精度依靠精密光學(xué)加工和光學(xué)檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)，通過多工序的加工檢測(cè)迭代來完成。在這個(gè)過程中，科研團(tuán)隊(duì)做了大量的計(jì)算與檢驗(yàn)工作。在鏡面磨削、研磨、精密拋光等工序中，優(yōu)化相應(yīng)的加工工藝，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，針對(duì)檢測(cè)出的誤差，再進(jìn)行反饋補(bǔ)償加工。像這樣反復(fù)迭代，誤差不斷收斂，才最終達(dá)到技術(shù)要求的精度指標(biāo)。
此外，“中科天儀”還做了大量的工作加強(qiáng)光學(xué)產(chǎn)品的可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性，包括對(duì)發(fā)射過程的強(qiáng)烈振動(dòng)、太空真空、低溫、失重等情形的適應(yīng)性，這充分保障了產(chǎn)品在特殊環(huán)境下的有效性能。該項(xiàng)目創(chuàng)新發(fā)展的新技術(shù)，也將在天文儀器、大氣探測(cè)儀器、激光通信與量子通信設(shè)備、光學(xué)檢測(cè)儀器等方面擁有廣泛的應(yīng)用前景。
?。ㄗ髡?| 蔡姝雯 晏慶合，本文轉(zhuǎn)載自《新華日?qǐng)?bào)》2021年08月25日 第15版）
