与地面观测设备相比，太空望远镜能够避免大气湍流、云层遮挡以及大气窗口外波长的吸收，从而提供更高精度的成像和光谱分析。目前，太空望远镜的制造通常采用镜面设计（而非透镜），以实现广泛的光谱范围和零色差，同时尽量减轻重量。望远镜的关键性能之一在于其光学孔径的大小，这直接决定了其光收集能力、分辨率和对比度。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）通过6.5米的主镜口径，显著提升了光收集能力和分辨率，相比哈勃望远镜的2.4米主镜有数量级的提升。这一突破依赖于JWST独特的折叠式分段镜设计，使其能够适配发射器的整流罩直径。然而，未来天文学的“圣杯”--例如直接成像系外行星并获取其详细光谱，所需的光学口径需达到数十米甚至百米，这超出了目前地面制造、发射和部署技术的能力范围。
针对这一挑战，尽管未来望远镜任务可能依赖于更大的发射器和先进的折叠技术，但这些方案在面对数十米级别的光学口径需求时成本和复杂性将急剧增加。因此，传统的机械制造方式可能不再适用，迫切需要颠覆性的新方法。旋转液体镜是一种被提出的创新方案，通过在重力作用下旋转反射液体来生成抛物面，这一概念在地面和月球基地都有研究。然而，该方法需要依赖稳定的重力场，并受到旋转速度、指向局限和尺寸的限制，尤其是大尺度望远镜会受科里奥利效应影响。即使在最新的DARPA项目“Zenith”中，也只是通过电磁驱动局部控制液体表面形状，尝试减弱重力的依赖，但依然未能解决根本限制。
Fluidic Telescope（FLUTE）项目提出了一个全新的方法，以流体成型（Fluidic Shaping）技术为核心，在微重力条件下利用液体的表面张力自然形成球形凹面镜。这种技术无需旋转或持续的机械驱动，而是通过控制液体边界几何形状和体积，构建静态的球形光学镜面。
在本文中，以色列理工学院和NASA研究团队展示了一套完整的实验系统，包括用于制造和测量球形液体镜面的机械装置和光学系统。实验选用镓合金和离子液体作为镜面材料。镓合金具有高反射率、低蒸汽压和低毒性，能够在太空真空环境中保持稳定并满足光学需求；而离子液体具有易润湿、低挥发性和广泛的操作温度范围。通过抛物线飞行模拟微重力环境，团队验证了液体在这种条件下能够成功形成理论预测的球形镜面。实验还采用了Shack–Hartmann波前传感器实时测量液体镜面的形状，并分析其精度和稳定性。尽管受限于飞行中的微重力扰动，实验成功证明了液体镜面能够在微重力环境下形成光滑、规则的球面，并为未来在轨实验提供了验证依据。作者还进一步讨论了材料优化和环境扰动对镜面质量的影响，并提出在未来通过提升离子液体的反射率和优化实验设计，实现适用于深空观测的超大光学口径液体望远镜的目标。相关研究成果以Shaping a gallium alloy and an ionic liquid into spherical mirrors for future liquid-based telescopes—experimental setup and demonstration in parabolic flights为题发表在Journal of Astronomical Telescopes Instruments and Systems上。
实验硬件用于在微重力条件下制造和测量液体镜面。成像系统安装在铝制外壳内的光学平台上，系统内部的密封胶囊用于创建和容纳待测液体镜面。一个连接惯性测量单元（IMU）和数据采集单元（DAQ）的笔记本电脑实时捕获并保存数据。整个装置通过减振电缆固定在铝制底板上，以尽可能减少外部干扰，底板直接固定在飞机地板上。
用于形成测试镜面的液体胶囊设计。(a)镓胶囊的等距视图，展示了厚不锈钢外壳的气密设计，防止镓氧化和腐蚀其他表面；顶部嵌入光学窗口，阀门A和B控制真空和氮气流，阀门C用于镓的流动控制。(b)镓胶囊的剖面视图，显示了液体流动和气体环境的设置。(c)几何固定环的剖面图，胶囊内设计了一个不锈钢环，通过其几何形状将镓液体固定在边缘形成球形凹面镜。(d)表面粘附环的剖面图，采用铜制固定环，通过表面粘附将镓固定在边缘形成镜面。(e)镓胶囊在实验前地面重力条件下填充完成后的照片，真空环境有效防止了镓的氧化。
(a)成像系统的光学设计示意图，展示了光线的路径。一个光纤耦合的单色LED光源通过偏轴抛物面镜生成准直光束，光束经由分束器反射到待测镜面（MUT），再通过继电透镜传输至Shack–Hartmann波前传感器（SH传感器）。通过光路的优化，确保待测镜面平面与SH传感器平面在光学上共轭，从而避免了自由传播的光学伪影。(b)用于重建液体镜面表面形貌的方法示意图，通过比较基准面的光学相位与实际测得的相位，转化为镜面表面高度的偏差，并使用迭代算法校正角度和表面形状，以实现精确的形貌重建。
微重力条件下镓镜面和离子液体镜面的表面重建结果。(a)镓镜面在形成期间的加速度曲线，显示了低重力环境的波动情况；(b)镓镜面重建的表面（蓝色）及其最佳拟合球面；(c)镜面表面与最佳拟合球面的偏差图，用以量化表面不规则性。(d)–(f)为离子液体镜面的对应结果。实验结果验证了微重力条件下液体镜面能够形成理论预测的球面，但表面仍受到微重力扰动影响，存在微米级的不规则性。
文章链接：https://doi.org/10.1117/1.JATIS.10.4.044010
