科研人員檢查4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡表面情況。

　　用于制造高精度碳化硅非球面反射鏡鏡坯的高溫?zé)Y(jié)爐。

　　8月21日，探索9年、經(jīng)18個月加工“打磨”，一塊直徑4米、重達1.6噸的“大鏡子”在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所通過項目驗收。這是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)”的最新成果，也是公開報道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。

　　關(guān)鍵詞1：“國際領(lǐng)先”

　　自2009年項目立項以來，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所（簡稱：中科院長春光機所）項目負責(zé)人張學(xué)軍研究員帶領(lǐng)的研發(fā)團隊經(jīng)多年技術(shù)攻關(guān)，完成了碳化硅鏡坯制備、非球面加工檢測、碳化硅表面改性鍍膜的制造設(shè)備研制與制造工藝研究，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“4米量級高精度碳化硅非球面集成制造平臺”，并依托集成制造平臺完成4米量級高精度碳化硅非球面產(chǎn)品研制。

　　當天的項目驗收意見中，專家組寫道：“所有技術(shù)指標均達到或優(yōu)于項目批復(fù)的實施方案規(guī)定的考核指標要求，系統(tǒng)性能國際領(lǐng)先。”

　　關(guān)鍵詞2：超越極限

　　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。相比傳統(tǒng)光學(xué)玻璃材料，碳化硅以其優(yōu)越的性能，成為國際光學(xué)界公認的高穩(wěn)定性光學(xué)反射鏡材料。此前，國際上公認1.5米是單體碳化硅反射鏡的極限口徑。

　　中科院長春光機所于今年7月完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制，它也是目前為止世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。

　　如果把這只“瞳孔”裝到望遠鏡里，將極大地提升望遠鏡的分辨率。

　　關(guān)鍵詞3：另辟蹊徑

　　張學(xué)軍告訴記者，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”。

　　“當反射鏡口徑超過一定量級，光學(xué)材料和光學(xué)加工都會面臨巨大挑戰(zhàn)。這對反射鏡鏡坯材料和光學(xué)加工技術(shù)都提出了苛刻要求。”

　　在各種基體材料中，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(shù)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(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，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。

　　“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，團隊另辟蹊徑，采用了一條過去沒人成功過的技術(shù)路線。經(jīng)歷數(shù)百次實驗探索與工藝驗證，項目研發(fā)團隊突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，建立了大口徑碳化硅鏡坯制造平臺，并先后研制成功2米、3米單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯。

　　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。

　　關(guān)鍵詞4：自主研發(fā)

　　然后，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到95%以上。

　　“僅掌握4米反射鏡制造工藝，并不算掌握自主核心技術(shù)。”張學(xué)軍告訴記者，研發(fā)團隊現(xiàn)已完成4米反射鏡制造所需全套制造裝備的研發(fā)，全部擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

　　有媒體這樣點評說，“未來地面上，將會懸起一面面中國制造的4米碳化硅巨鏡，它們將肩負起采集百億光年外的宇宙信號、監(jiān)測近地空間每塊微小碎片的重任。”

　　綜合新華社、中國科學(xué)報等報道

　　專家解讀

　　我國太空探測

　　多了個高質(zhì)量“成像鏡頭”

　　直徑4.03米碳化硅反射鏡的誕生，為什么會引發(fā)如此高的關(guān)注度？南京航空航天大學(xué)理學(xué)院李晉斌副教授應(yīng)邀就碳化硅反射鏡的相關(guān)問題做了科普。

　　他表示，4米量級碳化硅反射鏡的誕生，不僅意味著未來太空探測會更加精密，更重要的在于，這一成果表明我國已掌握大口徑反射鏡最核心技術(shù)，標志我國光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身國際先進水平，為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎(chǔ)。

　　“拋光大鏡子”的難度在哪里？

　　幾乎零誤差，精密機械制造技術(shù)實現(xiàn)重大突破

　　碳化硅反射鏡的加工過程，儼然是一面“大鏡子”正在“拋光”,但碳化硅反射鏡的“拋光”，和我們普通意義上的拋光難度顯然不是一個數(shù)量級。

　　現(xiàn)代大口徑光學(xué)系統(tǒng)均采用反射式結(jié)構(gòu)，其中主鏡口徑直接決定了系統(tǒng)的分辨能力，同時也是系統(tǒng)中制造難度最大的核心關(guān)鍵，為了保證望遠鏡的分辨率和成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。

　　李晉斌介紹，碳化硅的硬度僅次于金剛石，一整塊的碳化硅，鏡胚越大，加工的難度越高。以可見光波段觀測為例，面型精度也就是鏡面的平整程度要求優(yōu)于20納米。

　　為了使這個數(shù)字更直觀，張學(xué)軍曾在接受媒體采訪時打了一個比方：這就像對北京市大小的土地進行平整，并要求平整度誤差小于1毫米。

　　李晉斌告訴記者，這次，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所成功“拋光”制成的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡，不僅在誤差上實現(xiàn)突破，更是我國精密機械制造基礎(chǔ)的一次革新。

　　長期以來，大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術(shù)，一直被美國、法國、德國等少數(shù)西方國家掌握，我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡能力。只有真正掌握了自主制造4米量級大口徑反射鏡能力，才能讓我國的精密機械制造再進一步。

　　“大鏡子”有什么用？

　　它的“拍照效果”類似高質(zhì)量成像鏡頭

　　制造出這么大一面碳化硅反射鏡可不是為了顯擺，因為在航空航天領(lǐng)域，碳化硅反射鏡可是大有用途。李晉斌老師告訴記者，光學(xué)儀器分辨率會受到鏡頭尺寸的影響，口徑越大的光學(xué)儀器，成像效果會更好。

　　他做了一個通俗易懂的比方，碳化硅反射鏡應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，儼然是跟隨火箭進入太空的“衛(wèi)星相機”，在4米量級的反射鏡沒能制造出來之前，我國的太空探測大多停留在“卡片機”階段，在國外，先進的技術(shù)已經(jīng)讓太空探測用上了“單反相機”，比如部分天文愛好者熟悉的空間太空望遠鏡，它的口徑是2.4米，最遠能觀測到距離地球134億光年的宇宙深處。

　　而這一次，我國自主制造的4米量級碳化硅反射鏡，不僅可以讓太空探測“拍攝”的“圖片質(zhì)量”從“卡片機”躥升到“單反相機”效果，而且還相當于給“單反相機”加了一個可以高質(zhì)量成像的鏡頭，捕捉蛛絲馬跡會更加清晰立體。

　　用拍照來作比方，是為了便于讀者理解。李晉斌補充道，碳化硅反射鏡進入太空后，“拍照”成像只是最基本的工作，而從空間俯瞰大地、遙感數(shù)據(jù)、縱觀寰宇，都將是大口徑碳化硅反射鏡的職能工作。

　　未來，4米口徑碳化硅反射鏡工程產(chǎn)品即將應(yīng)用于國家地基大型光電系統(tǒng)，也為空間大口徑光學(xué)系統(tǒng)的研制解決了核心技術(shù)難題。

　　（記者 楊甜子）

【糾錯】

責(zé)任編輯： 徐宙超