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【中国科学报】4米碳化硅反射镜诞生记
2018-08-27
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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2.4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3.67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0.1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1.5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0.6 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1.5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。”

  (原载于《中国科学报》 2018-08-22 第1版 要闻)
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