8月21日，由中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所(中科院長春光機所)承擔(dān)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(tǒng)”在吉林長春通過項目驗收。該所完成的4.03米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡就是項目核心成果之一。

　　目前，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項目成果已獲得一系列重要應(yīng)用，2米量級碳化硅非球面反射鏡已應(yīng)用于國家大型光電系統(tǒng)項目；4米量級碳化硅非球面反射鏡即將應(yīng)用于國家重大工程項目。同時，項目成果將持續(xù)應(yīng)用于中國空間站多功能光學(xué)設(shè)施、國家重點研發(fā)計劃“靜止軌道高分辨率輕型成像相機系統(tǒng)技術(shù)”等一系列國家重大基礎(chǔ)研究和工程項目研制。

　　專家表示，中國通過研制成功“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”，形成具備自主知識產(chǎn)權(quán)的4米量級大口徑反射鏡研制能力，并陸續(xù)應(yīng)用于中國各類大型光電設(shè)備，將推動中國在大口徑光學(xué)反射鏡制造技術(shù)方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展，大幅提升中國高性能大型光學(xué)儀器研制水平。

　　4米碳化硅反射鏡誕生記

　　口徑?jīng)Q定觀測極限

　　自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來，光學(xué)系統(tǒng)觀測能力的不斷提升，離不開一個關(guān)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(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率和精度就越高，尤其是針對運動目標(biāo)。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(yuǎn)鏡的口徑2.4米，最遠(yuǎn)觀測到距離地球134億光年的宇宙深處；先進(jìn)光電望遠(yuǎn)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(jié)所在；鎖眼12（KH-12）衛(wèi)星相機口徑超過3米，對地分辨率可達(dá)0.1米。

　　長春光機所副所長張學(xué)軍告訴《中國科學(xué)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(shù)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(dá)到單體8米、拼接12米以上。但這一技術(shù)被美國和法國兩家公司壟斷，口徑超過2米便很難引進(jìn)。

　　碳化硅的比剛度和熱穩(wěn)定性在各種材料中最優(yōu)，且能實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)，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(zhàn)略物資’為由拒絕了”。張學(xué)軍透露。

　　在國家對大型光學(xué)儀器迫切的戰(zhàn)略需求下，2009年底，經(jīng)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(tǒng)”項目，歷時8年終于攻克這一技術(shù)，完成4米量級高精度碳化硅非球面產(chǎn)品研制，并形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)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。”張學(xué)軍說。

　　十余年攻關(guān)

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

　　項目研發(fā)團隊另辟蹊徑，采用了一條過去沒人成功過的技術(shù)路線，歷經(jīng)數(shù)百次實驗探索與工藝驗證，突破了一系列技術(shù)難關(guān)，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(jīng)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(jié)需要五六個月，再加上前期準(zhǔn)備，整個過程要1年，5次就是5年。這是一個漫長的過程。”張學(xué)軍說。

　　第一塊失敗的鏡坯張學(xué)軍沒看見全貌，等他趕到時，鏡坯團隊負(fù)責(zé)人趙文興已經(jīng)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(jīng)不敢上前查看了。

　　鏡坯制造完成后，還要經(jīng)過漫長的加工流程。為了保證成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)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(shù)控加工設(shè)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(shù)控加工中心，實現(xiàn)了加工與檢測技術(shù)自主可控。最終，經(jīng)過精拋光的反射面鍍膜的反射率達(dá)到95%以上。

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

　　逼出來的自主創(chuàng)新

　　1992年張學(xué)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(xué)軍回憶：“當(dāng)時歐美都不賣，最后從俄羅斯進(jìn)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(xiàn)在能做到1米直徑。”

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

　　“正是西方國家的技術(shù)壁壘和封鎖堅定了我們自主創(chuàng)新的決心。國家需求很大，我們沒有退路，必須把這條路走通。”張學(xué)軍說。

　　張學(xué)軍表示，大口徑高精度非球面光學(xué)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(tǒng)的核心元件和支撐技術(shù)。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(chǎn)品“為空間大口徑光學(xué)系統(tǒng)的研制解決了核心技術(shù)難題”。

　　“以前國外不賣給我們，我們干著急，現(xiàn)在他們反而提出要跟我們合作，這是跨越式發(fā)展的成果。”姜會林告訴《中國科學(xué)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(lǐng)跑。”

　　據(jù)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(yīng)用于我國高分有效載荷；2米量級反射鏡應(yīng)用于國家大型光電系統(tǒng)項目；4米量級反射鏡也即將應(yīng)用于國家重大工程項目。項目成果還將持續(xù)應(yīng)用于空間站多功能光學(xué)設(shè)施、國家重點研發(fā)計劃——“靜止軌道高分辨率輕型成像相機系統(tǒng)技術(shù)”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(shù)成熟后能加速這個過程。”