4.03米口徑碳化硅反射鏡，讓宇宙更清晰

馬維維 周立勛

電影《流浪地球》熱映，帶動(dòng)了大家對(duì)宇宙天體的關(guān)注，太空“火了”。在影片開(kāi)頭，航天員劉培強(qiáng)帶著兒子劉啟，一起用100mm口徑的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，木星的四顆衛(wèi)星清晰可辨。

反射鏡是高性能光學(xué)系統(tǒng)的核心。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所副所長(zhǎng)張學(xué)軍介紹說(shuō)：“如果把望遠(yuǎn)鏡比作觀測(cè)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(cè)到天體更多的細(xì)節(jié)?！?/p>

2018年8月，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所完成4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制并通過(guò)驗(yàn)收，這是公開(kāi)報(bào)道過(guò)的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。由此，我國(guó)光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身國(guó)際先進(jìn)水平，終于不再受制于人。

曾經(jīng)我們只能“近視”

自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，無(wú)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(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力不斷提升，都離不開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵——口徑。

大望遠(yuǎn)鏡裝備對(duì)反射鏡口徑的需求沒(méi)有上限，其上限取決于制造加工能力。對(duì)于口徑的“實(shí)力”，張學(xué)軍舉例，大名鼎鼎的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡口徑是2.4米，最遠(yuǎn)可以觀測(cè)到距離地球134億光年的宇宙深處;先進(jìn)光電望遠(yuǎn)鏡口徑3.67米，成功觀測(cè)到美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)事故的癥結(jié)所在。

20世紀(jì)90年代初，我國(guó)1米以下口徑空間反射鏡材料一直依賴(lài)進(jìn)口，那時(shí)載人航天剛剛起步，急需大口徑反射鏡。張學(xué)軍回憶道：“當(dāng)時(shí)歐美都不賣(mài)，最后從俄羅斯進(jìn)口了0.6米直徑的反射鏡。”

這也是一直卡住我們脖子的問(wèn)題——在技術(shù)封鎖下，我國(guó)只能使用直徑1米以下的“小鏡子”?！拔覀円苍鴩L試向歐美國(guó)家購(gòu)買(mǎi)大口徑光學(xué)反射鏡，不過(guò)被他們以‘戰(zhàn)略物資為由拒絕了。”張學(xué)軍透露。

發(fā)展大口徑碳化硅光學(xué)制造技術(shù)迫在眉睫。

“國(guó)家需求很大，我們沒(méi)有退路，必須把這條路走通。正是西方國(guó)家的技術(shù)壁壘和封鎖堅(jiān)定了我們自主創(chuàng)新的決心。核心技術(shù)買(mǎi)不來(lái)，一定要走自主研發(fā)的道路！”張學(xué)軍說(shuō)。

四砸失敗鏡坯

買(mǎi)不到又必須用，把長(zhǎng)春光機(jī)所逼上了自主創(chuàng)新這條路。

為了解決技術(shù)瓶頸，長(zhǎng)春光機(jī)所選擇了一條與國(guó)外不同的技術(shù)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(qiáng)4倍。“但其制備難度極高，所以并不被國(guó)際同行看好?！睆垖W(xué)軍坦言。

2009年底，長(zhǎng)春光機(jī)所正式啟動(dòng)“4米量級(jí)高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項(xiàng)目，開(kāi)始自主研制大口徑高精度非球面反射鏡制造系統(tǒng)。

4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著炫目，要想能夠?qū)嶋H應(yīng)用，必須依賴(lài)于碳化硅陶瓷鏡坯。所以制造碳化硅反射鏡的第一個(gè)難題，就是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。張學(xué)軍說(shuō)：“用碳化硅燒制的陶瓷，口徑一旦增大，就容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷而導(dǎo)致開(kāi)裂，一度被認(rèn)為無(wú)法突破的口徑極限是1.5米。”

由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，第一塊鏡坯毫無(wú)疑問(wèn)地失敗了。還沒(méi)等張學(xué)軍看見(jiàn)全貌，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將其敲碎，用破碎的顆粒研究失敗原因，張學(xué)軍說(shuō)：“在數(shù)百個(gè)工藝環(huán)節(jié)中，每一個(gè)細(xì)小的失誤都有可能導(dǎo)致研制失敗。”

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)頂著巨大壓力，反復(fù)試驗(yàn)探索與工藝驗(yàn)證，先后突破了消失模制作、凝膠注模成型、無(wú)應(yīng)力反應(yīng)連接等一系列鏡坯制備關(guān)鍵技術(shù)，2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯相繼研制成功。

在經(jīng)歷了4次失敗后，2016年，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、4.03米碳化硅反射鏡坯終于新鮮出爐了?！耙淮螣Y(jié)需要五六個(gè)月，再加上前期準(zhǔn)備，整個(gè)過(guò)程要1年，5次就是5年。這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。”

由“卡片機(jī)”變“單反”

鏡坯制造完成后，接下來(lái)就是漫長(zhǎng)的加工流程?！盀榱吮ＷC成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面型精度有著苛刻的要求：優(yōu)于20納米?！睆垖W(xué)軍打了個(gè)比方，這就像對(duì)北京市的土地進(jìn)行平整，要求平整度誤差小于1毫米。

伴隨著成功而來(lái)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(zhuǎn)變?yōu)榉瓷溏R，需要靠光學(xué)加工、改性和鍍膜，不僅國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的光學(xué)加工設(shè)備無(wú)法滿足要求，國(guó)際上也沒(méi)有可引進(jìn)的此類(lèi)裝備。

怎么辦？自己干！

張學(xué)軍介紹，長(zhǎng)春光機(jī)所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，采用應(yīng)力盤(pán)拋光、磁流變拋光等組合加工技術(shù)，在反射鏡表面鍍制和碳化硅相近的硅改性層，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精拋光，來(lái)達(dá)到非球面的制造精度、提升加工效率，實(shí)現(xiàn)了加工與檢測(cè)技術(shù)自主可控。張學(xué)軍說(shuō)：“反射面鍍膜的反射率達(dá)到95%以上，整體指標(biāo)達(dá)到望遠(yuǎn)系統(tǒng)的要求，這相當(dāng)于太空探測(cè)拍攝的圖片質(zhì)量，由‘卡片機(jī)升級(jí)到加了一個(gè)高質(zhì)量成像鏡頭的‘單反相機(jī)?！?/p>

至此，碳化硅粉末終于變成了直徑4.03米、重達(dá)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(shù)?！睆垖W(xué)軍說(shuō)，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(shí)產(chǎn)權(quán)的加工、檢測(cè)裝備也同步開(kāi)發(fā)完成，大口徑反射鏡制造的全部核心技術(shù)已經(jīng)真正掌握在自己手中。