【中国科学报】让人类探索的触角伸得更远

——记方敬忠及其科研团队的创新之路

文章来源：中国科学报 高志远

方敬忠科研团队

　　随着“嫦娥三号”顺利登陆月球，全世界的目光再一次聚焦到了宇宙空间探索这一前沿领域。自人类第一次充满好奇地仰望星空之时起，浩瀚无际的宇宙便蕴藏着无数的未知等着人类去探索和发现，也因而有着无限的诱惑力。从人类诞生至今，探索宇宙的起源和演化、探索生命的起源，便是我们长期进行并将持续下去的不懈求索。而中国科学院光电技术研究所方敬忠团队从事的光学与材料领域工作，便是为了让人类探索的触角在无边无际的宇宙中伸得更远。

　　广袤天地，大有可为

　　太阳系之外的行星是什么样的？是否有适合人类居住的行星？浩瀚宇宙，斗转星河。一代又一代的人渴望解开宇宙的奥秘，致力于对宇宙奥秘的探索，并为此付出了艰苦卓绝的努力。技术发展的日新月异，使得一切探索和尝试成为可能。美国人建造了许多大型的望远镜，迈出了探索的第一步。我国在认识宇宙方面也紧跟其后，开启了多种探索。光学与材料学领域对于天文光学和空间光学都具有重大意义。

　　方敬忠告诉我们，人类进行宇宙探索有很多种途径，而建造大型的光学望远镜进行观测便是最为重要的手段之一。有时，为了克服大气扰动对星体观察的影响，人类还要把天文光学望远镜送往太空。美国的哈勃空间望远镜便是具有代表性的成功范例，这一世界著名的天文望远镜自发射升空后已经观察到了130亿光年的星体，极大地拓展了人类对宇宙的认知。而方敬忠团队的目标，便是实现大型光学系统（地基大型天文光学望远镜、空间光学望远镜）的有效减重，通俗点说，便是给这些大型望远镜在保证使用效果的前提下进行“瘦身”。

　　普通人可能不明白给这些大家伙瘦身的意义何在，但事实上，对这些大型望远镜进行减重的意义丝毫不亚于建造一个新的望远镜。据了解，目前世界范围内已建成或正在建造的口径为10米量级的大型光学望远镜达十数台之多，其中美国的Giant Magellan 望远镜（GMT）由7块口径为8.4米的镜面组成，有效口径达25米，欧洲已在开展50米口径光学望远镜建造的相关工作，而美国宇航局正在建造的James Webb空间望远镜口径为6.5米，预计2018年发射。对于这些望远镜来说，过于笨重的身躯非常不利于实现望远镜的星体轨迹跟踪控制，同时由于重力影响，会导致镜面面形变化，进而影响使用寿命。而对于太空望远镜来说，减重的意义更为重大，因为过重的设备会给航天运载工具带来极大的技术压力和高昂的发射费用。这些现实因素都让方敬忠团队的研究工作变得十分迫切而且意义重大。

　　让中国有自己的空间望远镜

　　不论是空间望远镜，还是未来的大望远镜，它们都会毫无疑问地被天文学家用来在更大的程度上回答宇宙学所提出的问题。现在观测到的总星系范围半径接近两百亿光年，如果这些望远镜能把人类的视线更推远5倍，它们将为研究极度遥远的星系团、为测定众多星系的质量乃至宇宙的质量等提供第一手资料。

　　气象预报、资源考察、天文观察、太空探索、军事侦察、预警、强激光及光电跟踪都需要大型光学系统。这些系统中主反射镜是关键部件。光学系统轻量化对于大型地基光学望远镜或大型空间光学望远镜均具有重要的制约作用，首先需要实现主镜轻量化。以哈勃为例，其主镜采用蜂窝夹芯结构，减重率超过75%，主镜面密度降至180kg/m2，而随着光学系统口径的进一步增大，人类目前对降低主镜面密度提出了更高的要求,James Webb空间望远镜主镜面密度要求为小于15 kg/m2，而进一步发展要求是2kg/m2。

　　根据我国天文光学发展的需要，中科院光电技术研究所上世纪80年代便在“863”计划支持下，开始进行光学系统轻量化技术的相关研究工作，主要从材料和结构方面入手，研究主镜材料的性能要求、材料制备技术、主镜轻量化结构、轻量化主镜制备工艺以及主镜支承材料。随着研究工作的深入，所涉及的材料种类和制备手段更加多样化。

　　正是在以方敬忠团队为代表的这样一代又一代科研工作者的不懈努力下，光电技术研究所取得了独特的技术特色，在国内已经形成了一定的技术优势，为我国大型光学望远镜的发展提供重要技术支撑。完成或参与完成的科研项目分别获得了中国科学院科技进步一等奖、中国科学院杰出科技成就奖等重量级的奖项。

　　目前，方敬忠和他的科研团队正在参与中国科学院空间科学战略性先导科技专项项目：系外类地行星探测计划，承担项目中光学系统的研制和太阳望远镜项目中主镜的研制。系外类地行星探测计划提出的光学系统具有大口径、高轻量化率、高稳定性等技术特色，也是项目研究的重点、难点，方敬忠团队正在开展艰苦的技术攻关，一步一步地攀登前行，致力于努力探求新机理、新方法，为大型光学系统的建造、为人类认知宇宙提供更加得心应手的仪器设备作出自己的贡献。

　　放眼未来，方敬忠说，他们团队的目标，便是努力从材料学的角度解决大型光学系统的减重问题，为国家建造更大的光学观测系统贡献力量。

　　“希望有一天我们中国能有自己的太空望远镜，要搭载我们自己的设备。”方敬忠的这个目标，也许并不会太遥远。

　　（原载于《中国科学报》 2015-03-13 第3版 真相)

转载自http://www.cas.cn/cm/201503/t20150313_4321447.shtml