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科學視點

4米碳化硅反射鏡誕生記

一塊直徑4米的碳化硅反射鏡躺在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(以下簡稱長春光機所)實驗室中,閃閃發光。這塊看似普通的鏡子,卻是國防工程中期待已久的技術突破。

8月21日,由長春光機所承擔的國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”通過項目驗收。不久的將來,它將在國家地基大型光電系統中發揮作用。

這是目前國際上公開報道的最大口徑的高精度碳化硅非球面反射鏡,也是我國自主制造出的最大一面反射鏡。隨著這一“卡脖子”技術的攻克,未來,“大鏡子”將越來越多出現在我國國產大口徑光電裝備上。

口徑決定觀測極限

自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來,光學系統觀測能力的不斷提升,離不開一個關鍵——口徑。

項目驗收專家、中國工程院院士姜會林表示,反射鏡直徑越大,光學望遠鏡的分辨率和精度就越高,尤其是針對運動目標。因此,對更大口徑反射鏡的需求是無止境的,也是國際競爭的焦點。

哈勃太空望遠鏡的口徑2.4米,最遠觀測到距離地球134億光年的宇宙深處;先進光電望遠鏡(AEOS)口徑3.67米,成功觀測到美國哥倫比亞號航天飛機事故的癥結所在;鎖眼12(KH-12)衛星相機口徑超過3米,對地分辨率可達0.1米。

長春光機所副所長張學軍告訴《中國科學報》記者,反射鏡口徑的需求沒有上限,其上限取決于制造加工能力。而這也是我國一直被“卡脖子”的瓶頸所在——在技術封鎖下,我國只能使用直徑1米以下的“小鏡子”。

在各種反射鏡基體材料中,微晶玻璃使用最多,目前最大口徑可以達到單體8米、拼接12米以上。但這一技術被美國和法國兩家公司壟斷,口徑超過2米便很難引進。

碳化硅的比剛度和熱穩定性在各種材料中最優,且能實現輕量化結構,是制造反射鏡的理想材料。例如,其比鋼度是玻璃的4倍,同樣厚度下,其抗變形能力比玻璃強4倍。但其制備難度極高,“我們也曾嘗試購買,被外國公司以‘戰略物資’為由拒絕了”。張學軍透露。

在國家對大型光學儀器迫切的戰略需求下,2009年底,經中科院和財政部策劃支持,長春光機所啟動“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”項目,歷時8年終于攻克這一技術,完成4米量級高精度碳化硅非球面產品研制,并形成了具有自主知識產權的集成制造平臺。

“我們選擇了最好的材料,挑了一條難走的路,終于把路走通了?!睆垖W軍說。

十余年攻關

實際上,早在項目立項之前,長春光機所已經選擇碳化硅材料為突破方向開始了相關研究,但并不被國際同行看好。碳化硅雖然性能優良,但存在的技術障礙也較大,難以突破1.5米的口徑極限。

項目研發團隊另辟蹊徑,采用了一條過去沒人成功過的技術路線,歷經數百次實驗探索與工藝驗證,突破了一系列技術難關,終于完成了4米口徑整體碳化硅鏡坯。

走一條別人沒走過的路,就意味著沒有成功經驗可借鑒。這塊4米口徑整體碳化硅鏡坯先后失敗了4次,第五次才成功。

“一次燒結需要五六個月,再加上前期準備,整個過程要1年,5次就是5年。這是一個漫長的過程?!睆垖W軍說。

第一塊失敗的鏡坯張學軍沒看見全貌,等他趕到時,鏡坯團隊負責人趙文興已經將其敲碎,正拿著破碎的顆粒研究失敗原因。等到第五次出爐時,趙文興已經不敢上前查看了。

鏡坯制造完成后,還要經過漫長的加工流程。為了保證成像質量,光學系統對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。以可見光波段觀測為例,面型精度要求差值小于20納米,這就好比要求北京市的土地平整度差值小于1毫米。

加工難題接踵而至:碳化硅硬度極高,常見材料中僅次于金剛石,其磨削拋光至納米表面精度難度極大。項目組在國外禁運大口徑非球面數控加工設備的情況下,研制出適用于大口徑碳化硅高精度制造的非球面數控加工中心,實現了加工與檢測技術自主可控。最終,經過精拋光的反射面鍍膜的反射率達到95%以上。

與此同時,項目組還開發了一整套具有完全自主知識產權的加工、檢測裝備,使大口徑反射鏡制造的全部核心技術真正掌握在自己手中。

逼出來的自主創新

1992年張學軍博士在讀,彼時我國載人航天剛剛立項,急需大口徑反射鏡。張學軍回憶:“當時歐美都不賣,最后從俄羅斯進口了0.6 米直徑的碳化硅反射鏡。前年我去圣彼得堡訪問,他們現在能做到1米直徑?!?/p>

買不到又必須用,把長春光機所逼上了自主創新這條路。為了打破壟斷,20世紀90年代末,他們就已布局光學級碳化硅陶瓷材料研究。

“正是西方國家的技術壁壘和封鎖堅定了我們自主創新的決心。國家需求很大,我們沒有退路,必須把這條路走通?!睆垖W軍說。

張學軍表示,大口徑高精度非球面光學反射鏡是高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測系統的核心元件和支撐技術。驗收專家組在驗收意見中指出,4米口徑碳化硅反射鏡工程產品“為空間大口徑光學系統的研制解決了核心技術難題”。

“以前國外不賣給我們,我們干著急,現在他們反而提出要跟我們合作,這是跨越式發展的成果?!苯獣指嬖V《中國科學報》記者,“今天驗收我們專家組特別高興,長春光機所做出了國際最高水平的反射鏡,以后我們在這個方向就能從跟跑、并跑到領跑?!?/p>

據悉,基于該項目成果研制完成的1.5米量級碳化硅非球面反射鏡已成功應用于我國高分有效載荷;2米量級反射鏡應用于國家大型光電系統項目;4米量級反射鏡也即將應用于國家重大工程項目。項目成果還將持續應用于空間站多功能光學設施、國家重點研發計劃——“靜止軌道高分辨率輕型成像相機系統技術”等一系列國家重大項目。

姜會林也在排隊等著用4米口徑的大鏡子。他說:“我們做空間探測希望能看見厘米級空間碎片,需要用到大口徑反射鏡。很多人找我打聽什么能用上長春光機所的鏡子,希望技術成熟后能加速這個過程?!?/p>


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