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反射鏡誕生記4米碳化矽

文章出處:原創 責任編輯:admin 人氣: 發表時間:2018-09-29 11:31

  一塊直徑4米的碳化矽反射鏡躺在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(以下簡稱長春光機所)實驗室中,閃閃發光。這塊看似普通的鏡子,卻是國防工程中期待已久的技術突破。

  8月21日,由長春光機所承擔的國家重大科研裝備研製項目“4米量級高精度碳化矽非球麵反射鏡集成製造係統”通過項目驗收。不久的將來,它將在國家地基大型光電係統中發揮作用。

  這是目前國際上公開報道的最大口徑的高精度碳化矽非球麵反射鏡,也是我國自主製造出的最大一麵反射鏡。隨著這一“卡脖子”技術的攻克,未來,“大鏡子”將越來越多出現在我國國產大口徑光電裝備上。

  自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來,光學係統觀測能力的不斷提升,離不開一個關鍵——口徑。

  項目驗收專家、中國工程院院士薑會林表示,反射鏡直徑越大,光學望遠鏡的分辨率和精度就越高,尤其是針對運動目標。記4米碳化矽因此,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。

  哈勃太空望遠鏡的口徑2.4米,最遠觀測到距離地球134億光年的宇宙深處;先進光電望遠鏡(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症結所在;鎖眼12(KH-12)衛星相機口徑超過3米,對地分辨率可達0.1米。

  長春光機所副所長張學軍告訴《中國科學報》記者,反射鏡口徑的需求沒有上限,其上限取決於製造加工能力。綠碳化矽,而這也是我國一直被“卡脖子”的瓶頸所在——在技術封鎖下,我國隻能使用直徑1米以下的“小鏡子”。反射鏡誕生

  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到單體8米、拚接12米以上。但這一技術被美國和法國兩家公司壟斷,口徑超過2米便很難引進。

  碳化矽的比剛度和熱穩定性在各種材料中最優,且能實現輕量化結構,是製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。但其製備難度極高,“AG8也曾嚐試購買,被外國公司以‘戰略物資’為由拒絕了”。張學軍透露。

  在國家對大型光學儀器迫切的戰略需求下,2009年底,經中科院和財政部策劃支持,長春光機所啟動“4米量級高精度碳化矽非球麵反射鏡集成製造係統”項目,曆時8年終於攻克這一技術,完成4米量級高精度碳化矽非球麵AG8研製,並形成了具有自主知識產權的集成製造平台。

  實際上,早在項目立項之前,長春光機所已經選擇碳化矽材料為突破方向開始了相關研究,但並不被國際同行看好。碳化矽雖然性能優良,但存在的技術障礙也較大,難以突破1.5米的口徑極限。

  項目研發團隊另辟蹊徑,采用了一條過去沒人成功過的技術路線,曆經數百次實驗探索與工藝驗證,突破了一係列技術難關,終於完成了4米口徑整體碳化矽鏡坯。

  走一條別人沒走過的路,就意味著沒有成功經驗可借鑒。這塊4米口徑整體碳化矽鏡坯先後失敗了4次,第五次才成功。

  “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。”張學軍說。

  第一塊失敗的鏡坯張學軍沒看見全貌,等他趕到時,鏡坯團隊負責人趙文興已經將其敲碎,正拿著破碎的顆粒研究失敗原因。等到第五次出爐時,趙文興已經不敢上前查看了。

  鏡坯製造完成後,還要經過漫長的加工流程。為了保證成像質量,光學係統對反射鏡的麵型精度有著苛刻的要求。以可見光波段觀測為例,麵型精度要求差值小於20納米,這就好比要求北京市的土地平整度差值小於1毫米。

  加工難題接踵而至:碳化矽硬度極高,常見材料中僅次於金剛石,其磨削拋光至納米表麵精度難度極大。項目組在國外禁運大口徑非球麵數控加工設備的情況下,研製出適用於大口徑碳化矽高精度製造的非球麵數控加工中心,實現了加工與檢測技術自主可控。最終,經過精拋光的反射麵鍍膜的反射率達到95%以上。

  與此同時,項目組還開發了一整套具有完全自主知識產權的加工、檢測裝備,使大口徑反射鏡製造的全部核心技術真正掌握在自己手中。

  1992年張學軍博士在讀,彼時我國載人航天剛剛立項,急需大口徑反射鏡。張學軍回憶:“當時歐美都不賣,最後從俄羅斯進口了0.6米直徑的碳化矽反射鏡。前年我去聖彼得堡訪問,他們現在能做到1米直徑。”

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

  “正是西方國家的技術壁壘和封鎖堅定了AG8自主創新的決心。國家需求很大,AG8沒有退路,必須把這條路走通。”張學軍說。大口徑高精度非球麵光學反射鏡是高分辨率空間對地觀測、深空