4米碳化硅反射镜诞生记

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2018-08-31

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  一块直径4米的碳化硅反射镜躺在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光机所)实验室中,闪闪发光。

这块看似普通的镜子,却是国防工程中期待已久的技术突破。

  8月21日,由长春光机所承担的国家重大科研装备研制项目“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”通过项目验收。 不久的将来,它将在国家地基大型光电系统中发挥作用。   这是目前国际上公开报道的最大口径的高精度碳化硅非球面反射镜,也是我国自主制造出的最大一面反射镜。 随着这一“卡脖子”技术的攻克,未来,“大镜子”将越来越多出现在我国国产大口径光电装备上。   口径决定观测极限  自1609年伽利略发明天文望远镜以来,光学系统观测能力的不断提升,离不开一个关键——口径。   项目验收专家、中国工程院院士姜会林表示,反射镜直径越大,光学望远镜的分辨率和精度就越高,尤其是针对运动目标。 因此,对更大口径反射镜的需求是无止境的,也是国际竞争的焦点。   哈勃太空望远镜的口径米,最远观测到距离地球134亿光年的宇宙深处;先进光电望远镜(AEOS)口径米,成功观测到美国哥伦比亚号航天飞机事故的症结所在;锁眼12(KH-12)卫星相机口径超过3米,对地分辨率可达米。   长春光机所副所长张学军告诉《中国科学报》记者,反射镜口径的需求没有上限,其上限取决于制造加工能力。 而这也是我国一直被“卡脖子”的瓶颈所在——在技术封锁下,我国只能使用直径1米以下的“小镜子”。   在各种反射镜基体材料中,微晶玻璃使用最多,目前最大口径可以达到单体8米、拼接12米以上。 但这一技术被美国和法国两家公司垄断,口径超过2米便很难引进。   碳化硅的比刚度和热稳定性在各种材料中最优,且能实现轻量化结构,是制造反射镜的理想材料。 例如,其比钢度是玻璃的4倍,同样厚度下,其抗变形能力比玻璃强4倍。 但其制备难度极高,“我们也曾尝试购买,被外国公司以‘战略物资’为由拒绝了”。

张学军透露。

  在国家对大型光学仪器迫切的战略需求下,2009年底,经中科院和财政部策划支持,长春光机所启动“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”项目,历时8年终于攻克这一技术,完成4米量级高精度碳化硅非球面产品研制,并形成了具有自主知识产权的集成制造平台。

  “我们选择了最好的材料,挑了一条难走的路,终于把路走通了。

”张学军说。

  十余年攻关  实际上,早在项目立项之前,长春光机所已经选择碳化硅材料为突破方向开始了相关研究,但并不被国际同行看好。 碳化硅虽然性能优良,但存在的技术障碍也较大,难以突破米的口径极限。

  项目研发团队另辟蹊径,采用了一条过去没人成功过的技术路线,历经数百次实验探索与工艺验证,突破了一系列技术难关,终于完成了4米口径整体碳化硅镜坯。   走一条别人没走过的路,就意味着没有成功经验可借鉴。 这块4米口径整体碳化硅镜坯先后失败了4次,第五次才成功。   “一次烧结需要五六个月,再加上前期准备,整个过程要1年,5次就是5年。 这是一个漫长的过程。 ”张学军说。

  第一块失败的镜坯张学军没看见全貌,等他赶到时,镜坯团队负责人赵文兴已经将其敲碎,正拿着破碎的颗粒研究失败原因。

等到第五次出炉时,赵文兴已经不敢上前查看了。   镜坯制造完成后,还要经过漫长的加工流程。

为了保证成像质量,光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求。

以可见光波段观测为例,面型精度要求差值小于20纳米,这就好比要求北京市的土地平整度差值小于1毫米。

  加工难题接踵而至:碳化硅硬度极高,常见材料中仅次于金刚石,其磨削抛光至纳米表面精度难度极大。 项目组在国外禁运大口径非球面数控加工设备的情况下,研制出适用于大口径碳化硅高精度制造的非球面数控加工中心,实现了加工与检测技术自主可控。 最终,经过精抛光的反射面镀膜的反射率达到95%以上。   与此同时,项目组还开发了一整套具有完全自主知识产权的加工、检测装备,使大口径反射镜制造的全部核心技术真正掌握在自己手中。   逼出来的自主创新  1992年张学军博士在读,彼时我国载人航天刚刚立项,急需大口径反射镜。 张学军回忆:“当时欧美都不卖,最后从俄罗斯进口了米直径的碳化硅反射镜。 前年我去圣彼得堡访问,他们现在能做到1米直径。 ”  买不到又必须用,把长春光机所逼上了自主创新这条路。

为了打破垄断,20世纪90年代末,他们就已布局光学级碳化硅陶瓷材料研究。

  “正是西方国家的技术壁垒和封锁坚定了我们自主创新的决心。

国家需求很大,我们没有退路,必须把这条路走通。

”张学军说。

  张学军表示,大口径高精度非球面光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件和支撑技术。 验收专家组在验收意见中指出,4米口径碳化硅反射镜工程产品“为空间大口径光学系统的研制解决了核心技术难题”。   “以前国外不卖给我们,我们干着急,现在他们反而提出要跟我们合作,这是跨越式发展的成果。

”姜会林告诉《中国科学报》记者,“今天验收我们专家组特别高兴,长春光机所做出了国际最高水平的反射镜,以后我们在这个方向就能从跟跑、并跑到领跑。

”  据悉,基于该项目成果研制完成的米量级碳化硅非球面反射镜已成功应用于我国高分有效载荷;2米量级反射镜应用于国家大型光电系统项目;4米量级反射镜也即将应用于国家重大工程项目。

项目成果还将持续应用于空间站多功能光学设施、国家重点研发计划——“静止轨道高分辨率轻型成像相机系统技术”等一系列国家重大项目。

  姜会林也在排队等着用4米口径的大镜子。 他说:“我们做空间探测希望能看见厘米级空间碎片,需要用到大口径反射镜。

很多人找我打听什么能用上长春光机所的镜子,希望技术成熟后能加速这个过程。 ”  《中国科学报》(2018-08-22第1版要闻)。