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【科技日報】4.03米口徑碳化硅反射鏡,讓宇宙更清晰
2019-04-17
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  把“命門”掌握在自己手中

  馬維維 周立勛

  電影《流浪地球》熱映,帶動了大家對宇宙天體的關注,太空“火了”。在影片開頭,航天員劉培強帶著兒子劉啟,一起用100mm口徑的天文望遠鏡觀測,木星的四顆衛星清晰可辨。

  反射鏡是高性能光學系統的核心。中科院長春光機所副所長張學軍介紹說:“如果把望遠鏡比作觀測太空的‘眼睛’,那么反射鏡就是眼睛的‘晶狀體’。晶狀體越大,眼睛的空間分辨率也就越高,能夠觀測到天體更多的細節。”

  2018年8月,中科院長春光機所完成4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制并通過驗收,這是公開報道過的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。由此,我國光學系統制造能力躋身國際先進水平,終于不再受制于人。

  曾經我們只能“近視” 

  自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來,無論是從地面仰望星空,還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇,想要使望遠鏡的觀測能力不斷提升,都離不開一個關鍵——口徑。

  大望遠鏡裝備對反射鏡口徑的需求沒有上限,其上限取決于制造加工能力。對于口徑的“實力”,張學軍舉例,大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡口徑是2.4米,最遠可以觀測到距離地球134億光年的宇宙深處;先進光電望遠鏡口徑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。

  20世紀90年代初,我國1米以下口徑空間反射鏡材料一直依賴進口,那時載人航天剛剛起步,急需大口徑反射鏡。張學軍回憶道:“當時歐美都不賣,最后從俄羅斯進口了0.6米直徑的反射鏡。”

  這也是一直卡住我們脖子的問題——在技術封鎖下,我國只能使用直徑1米以下的“小鏡子”。“我們也曾嘗試向歐美國家購買大口徑光學反射鏡,不過被他們以‘戰略物資’為由拒絕了。”張學軍透露。

  發展大口徑碳化硅光學制造技術迫在眉睫。

  “國家需求很大,我們沒有退路,必須把這條路走通。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。核心技術買不來,一定要走自主研發的道路!”張學軍說。

      四砸失敗鏡坯 

  買不到又必須用,把長春光機所逼上了自主創新這條路。

  為了解決技術瓶頸,長春光機所選擇了一條與國外不同的技術路線——選用碳化硅作為反射鏡材料。碳化硅是制造反射鏡的理想材料,其比剛度是玻璃的4倍,同樣厚度下,抗變形能力比玻璃強4倍。“但其制備難度極高,所以并不被國際同行看好。”張學軍坦言。

  2009年底,長春光機所正式啟動“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”項目,開始自主研制大口徑高精度非球面反射鏡制造系統。

  4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著炫目,要想能夠實際應用,必須依賴于碳化硅陶瓷鏡坯。所以制造碳化硅反射鏡的第一個難題,就是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。張學軍說:“用碳化硅燒制的陶瓷,口徑一旦增大,就容易出現內部缺陷而導致開裂,一度被認為無法突破的口徑極限是1.5米。”

  由于沒有經驗,第一塊鏡坯毫無疑問地失敗了。還沒等張學軍看見全貌,團隊已經將其敲碎,用破碎的顆粒研究失敗原因,張學軍說:“在數百個工藝環節中,每一個細小的失誤都有可能導致研制失敗。”

  項目團隊頂著巨大壓力,反復試驗探索與工藝驗證,先后突破了消失模制作、凝膠注模成型、無應力反應連接等一系列鏡坯制備關鍵技術,2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯相繼研制成功。

  在經歷了4次失敗后,2016年,具有自主知識產權、4.03米碳化硅反射鏡坯終于新鮮出爐了。“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。”

   由“卡片機”變“單反” 

  鏡坯制造完成后,接下來就是漫長的加工流程。“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:優于20納米。”張學軍打了個比方,這就像對北京市的土地進行平整,要求平整度誤差小于1毫米。

  伴隨著成功而來的,是接踵而至的難題:碳化硅硬度僅次于金剛石,其磨削拋光至納米表面精度難度極大。從鏡坯轉變為反射鏡,需要靠光學加工、改性和鍍膜,不僅國內現有的光學加工設備無法滿足要求,國際上也沒有可引進的此類裝備。

  怎么辦?自己干!

  張學軍介紹,長春光機所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,采用應力盤拋光、磁流變拋光等組合加工技術,在反射鏡表面鍍制和碳化硅相近的硅改性層,在此基礎上進行精拋光,來達到非球面的制造精度、提升加工效率,實現了加工與檢測技術自主可控。張學軍說:“反射面鍍膜的反射率達到95%以上,整體指標達到望遠系統的要求,這相當于太空探測拍攝的圖片質量,由‘卡片機’升級到加了一個高質量成像鏡頭的‘單反相機’。”

  至此,碳化硅粉末終于變成了直徑4.03米、重達1.6噸,高剛度、高面形精度的“大鏡子”。

  “僅掌握4米反射鏡制造工藝,并不算掌握自主核心技術。”張學軍說,圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線,一整套完整的、具有完全自主知識產權的加工、檢測裝備也同步開發完成,大口徑反射鏡制造的全部核心技術已經真正掌握在自己手中。

    (原載于《科技日報》 2019-03-28 頭版頭條)

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