8月21日，由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(中科院長春光機所)承擔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(ji)成(cheng)(cheng)制(zhi)造系統”在(zai)吉林(lin)長春通過(guo)項目驗收。該(gai)所完成(cheng)(cheng)的4.03米口(kou)徑高精度碳化(hua)硅非(fei)球面反射鏡就是(shi)項目核心成(cheng)(cheng)果(guo)之一。

　　目(mu)(mu)前(qian)，“4米量(liang)級高精度碳化硅非(fei)球面反射(she)(she)鏡(jing)集成制造系統(tong)”項(xiang)目(mu)(mu)成果(guo)已(yi)獲得一系列重要應(ying)用(yong)，2米量(liang)級碳化硅非(fei)球面反射(she)(she)鏡(jing)已(yi)應(ying)用(yong)于(yu)國(guo)家大(da)型光(guang)電(dian)系統(tong)項(xiang)目(mu)(mu)；4米量(liang)級碳化硅非(fei)球面反射(she)(she)鏡(jing)即將(jiang)應(ying)用(yong)于(yu)國(guo)家重大(da)工(gong)程(cheng)項(xiang)目(mu)(mu)。同時，項(xiang)目(mu)(mu)成果(guo)將(jiang)持續應(ying)用(yong)于(yu)中國(guo)空間(jian)站多功能光(guang)學設施、國(guo)家重點(dian)研(yan)(yan)發計(ji)劃“靜止軌(gui)道高分辨率輕型成像相機系統(tong)技術”等一系列國(guo)家重大(da)基礎研(yan)(yan)究和工(gong)程(cheng)項(xiang)目(mu)(mu)研(yan)(yan)制。

　　專(zhuan)家(jia)表示，中國通過研制成(cheng)功“4米量級(ji)高精度(du)碳(tan)化硅非球面反射鏡集成(cheng)制造(zao)(zao)系統”，形成(cheng)具備自主知識(shi)產權的4米量級(ji)大(da)(da)口徑反射鏡研制能(neng)力(li)，并陸續應(ying)用于中國各(ge)類(lei)大(da)(da)型(xing)光(guang)電設備，將推動中國在大(da)(da)口徑光(guang)學反射鏡制造(zao)(zao)技術(shu)方面實現跨越式發展，大(da)(da)幅提(ti)升中國高性(xing)能(neng)大(da)(da)型(xing)光(guang)學儀器研制水平。

　　4米碳化硅反射鏡誕生記

　　口徑決定觀測極限

　　自1609年伽利(li)略發(fa)明天(tian)文望遠鏡以來，光學(xue)系統觀(guan)測(ce)能力的(de)不斷提(ti)升，離不開一個(ge)關鍵(jian)——口徑。

　　項目驗收專家、中國工(gong)程院院士姜會林表示，反(fan)射(she)鏡直徑越大，光學望(wang)遠鏡的(de)(de)分辨率和精度就越高，尤其是(shi)針對運(yun)動目標。因此(ci)，對更大口徑反(fan)射(she)鏡的(de)(de)需(xu)求是(shi)無止境的(de)(de)，也是(shi)國際競爭的(de)(de)焦點。

　　哈勃太空望遠(yuan)鏡(jing)的口徑(jing)2.4米，最遠(yuan)觀(guan)測到距離地(di)球134億光年的宇(yu)宙(zhou)深處(chu)；先進光電(dian)望遠(yuan)鏡(jing)（AEOS）口徑(jing)3.67米，成功觀(guan)測到美(mei)國哥倫比亞號(hao)航(hang)天(tian)飛機(ji)事(shi)故(gu)的癥(zheng)結所在；鎖眼12（KH-12）衛星相機(ji)口徑(jing)超過3米，對地(di)分辨率(lv)可(ke)達0.1米。

　　長(chang)春光機所副所長(chang)張學軍(jun)告訴《中國(guo)(guo)科學報(bao)》記(ji)者，反射(she)鏡口徑的需(xu)求沒有上限，其上限取決于(yu)制造加(jia)工能力。而(er)這也是我(wo)國(guo)(guo)一直被“卡脖子(zi)”的瓶頸所在——在技術(shu)封鎖(suo)下，我(wo)國(guo)(guo)只能使(shi)用直徑1米以下的“小(xiao)鏡子(zi)”。

　　在各種反(fan)射鏡基體(ti)材料中，微晶(jing)玻璃使用最多，目前最大口徑可以達到單(dan)體(ti)8米、拼(pin)接12米以上。但這一(yi)技術(shu)被美國(guo)和法國(guo)兩家公司(si)壟(long)斷(duan)，口徑超過2米便很難引進。

　　碳化硅的(de)比(bi)剛度(du)和熱穩定性(xing)在各種材料(liao)中最優(you)，且能實現輕量化結構(gou)，是(shi)制造反射鏡的(de)理想材料(liao)。例如，其比(bi)鋼度(du)是(shi)玻璃(li)的(de)4倍，同樣厚度(du)下，其抗變形(xing)能力比(bi)玻璃(li)強4倍。但其制備難(nan)度(du)極(ji)高，“我們也(ye)曾嘗(chang)試購買，被外國公司以(yi)‘戰略物資(zi)’為由拒(ju)絕(jue)了”。張(zhang)學軍透露(lu)。

　　在國家對大型光學儀器(qi)迫切(qie)的戰(zhan)略(lve)需(xu)求下，2009年(nian)(nian)底，經中科(ke)院(yuan)和(he)財政(zheng)部策(ce)劃支持，長春光機(ji)所啟動“4米(mi)量級(ji)高(gao)精度碳化(hua)(hua)硅(gui)非球面反射鏡集成制(zhi)造系統”項目，歷時8年(nian)(nian)終于(yu)攻克這一技術(shu)，完(wan)成4米(mi)量級(ji)高(gao)精度碳化(hua)(hua)硅(gui)非球面產(chan)(chan)品研制(zhi)，并形成了具有自(zi)主知識(shi)產(chan)(chan)權的集成制(zhi)造平(ping)臺。

　　“我(wo)們選擇了(le)最好的材料，挑了(le)一條難走(zou)的路(lu)，終于把路(lu)走(zou)通了(le)。”張學(xue)軍說(shuo)。

　　十余年攻關

　　實(shi)際(ji)上，早在項目立項之前，長春光機所(suo)已經選擇(ze)碳(tan)化硅(gui)材料為突(tu)破方向(xiang)開(kai)始了相關(guan)研究，但(dan)并不被國際(ji)同行(xing)看(kan)好(hao)。碳(tan)化硅(gui)雖然性(xing)能優良，但(dan)存在的(de)技(ji)術(shu)障礙也較(jiao)大，難以突(tu)破1.5米(mi)的(de)口(kou)徑(jing)極限。

　　項目(mu)研發團隊另(ling)辟蹊(xi)徑(jing)，采用了(le)一條過(guo)去沒人成功過(guo)的(de)技(ji)術路線，歷經(jing)數百次(ci)實驗(yan)探索(suo)與工藝驗(yan)證，突破了(le)一系列技(ji)術難關(guan)，終于完成了(le)4米口徑(jing)整體碳化硅鏡坯。

　　走一條(tiao)別(bie)人沒(mei)走過(guo)的路，就意(yi)味著沒(mei)有成功(gong)經(jing)驗可借鑒(jian)。這塊(kuai)4米口(kou)徑整(zheng)體碳化硅鏡坯先后失敗了(le)4次，第五次才成功(gong)。

　　“一(yi)次(ci)燒(shao)結需要(yao)五六(liu)個月，再加上前期準(zhun)備，整個過(guo)程要(yao)1年，5次(ci)就是5年。這(zhe)是一(yi)個漫(man)長的過(guo)程。”張學(xue)軍說。

　　第一(yi)塊失敗(bai)(bai)的鏡坯(pi)張學軍(jun)沒看(kan)(kan)見全貌，等(deng)他(ta)趕到(dao)(dao)時，鏡坯(pi)團(tuan)隊負責人趙文興已經將其敲碎，正拿著破碎的顆粒研究(jiu)失敗(bai)(bai)原因。等(deng)到(dao)(dao)第五次出爐時，趙文興已經不敢上前查看(kan)(kan)了。

　　鏡(jing)坯制造完成后，還要(yao)經過漫長的加(jia)工流程。為了保證成像質量，光(guang)學(xue)系統對反射鏡(jing)的面型(xing)精度(du)有著苛刻的要(yao)求(qiu)。以可見(jian)光(guang)波(bo)段觀測為例，面型(xing)精度(du)要(yao)求(qiu)差值(zhi)小于20納米(mi)，這(zhe)就好比(bi)要(yao)求(qiu)北京(jing)市的土地(di)平(ping)整度(du)差值(zhi)小于1毫米(mi)。

　　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(mian)精度(du)難度(du)極(ji)大。項目組在國外(wai)禁運大口徑(jing)非球面(mian)數控(kong)加工設(she)備的情況下，研制出(chu)適用于(yu)大口徑(jing)碳化硅高(gao)精度(du)制造的非球面(mian)數控(kong)加工中(zhong)心，實(shi)現了加工與檢測技術自主可控(kong)。最終(zhong)，經過(guo)精拋光的反(fan)射面(mian)鍍膜的反(fan)射率(lv)達到95%以上。

　　與此(ci)同時，項目組還開發了一整套具有完全自(zi)主知識產權(quan)的加工、檢測裝備，使大口(kou)徑反射鏡制造(zao)的全部(bu)核心技術真正掌握在自(zi)己手(shou)中。

　　逼出來的自主創新

　　1992年(nian)(nian)張學軍(jun)博(bo)士在讀，彼時(shi)我(wo)國(guo)載人航天剛剛立項，急需(xu)大口徑反射鏡。張學軍(jun)回憶：“當(dang)時(shi)歐美都不賣，最(zui)后從俄(e)羅(luo)斯(si)進(jin)口了0.6 米(mi)直徑的碳化硅反射鏡。前(qian)年(nian)(nian)我(wo)去(qu)圣彼得堡(bao)訪問，他們現(xian)在能做到1米(mi)直徑。”

　　買不到又必須用，把(ba)長春光機所逼上了(le)(le)自主創新(xin)這條路。為了(le)(le)打破壟斷，20世紀90年代末，他們就已(yi)布局(ju)光學(xue)級碳化硅陶(tao)瓷材料研究(jiu)。

　　“正是(shi)西方國(guo)家(jia)的(de)技術壁壘(lei)和封鎖堅定(ding)了我們自(zi)主創新的(de)決心。國(guo)家(jia)需求(qiu)很大(da)，我們沒有退路(lu)，必須把(ba)這條路(lu)走(zou)通。”張學(xue)軍說。

　　張(zhang)學(xue)軍(jun)表示，大口徑(jing)高精(jing)度非球面光學(xue)反射鏡是高分辨率空(kong)(kong)間(jian)對地觀(guan)(guan)測、深空(kong)(kong)探測和天文觀(guan)(guan)測系統的核(he)心元件和支撐技(ji)術(shu)。驗收(shou)專家組在驗收(shou)意見中指出，4米口徑(jing)碳化硅反射鏡工程(cheng)產品“為空(kong)(kong)間(jian)大口徑(jing)光學(xue)系統的研制(zhi)解決了核(he)心技(ji)術(shu)難(nan)題”。

　　“以(yi)前(qian)國(guo)(guo)外(wai)不賣給(gei)我(wo)們，我(wo)們干著急(ji)，現在他們反而提(ti)出要跟我(wo)們合作，這是跨(kua)越式發展的(de)成果。”姜會林告訴(su)《中國(guo)(guo)科(ke)學報》記者，“今天(tian)驗(yan)收我(wo)們專家組特別高興，長春光機所做(zuo)出了國(guo)(guo)際最高水(shui)平的(de)反射鏡，以(yi)后(hou)我(wo)們在這個方(fang)向就能從跟跑、并(bing)跑到領跑。”

　　據悉，基于(yu)該項(xiang)(xiang)目(mu)成果(guo)研制完成的1.5米(mi)(mi)量級碳化硅非球面反射(she)鏡已成功應(ying)(ying)(ying)用(yong)于(yu)我國高分有效載荷；2米(mi)(mi)量級反射(she)鏡應(ying)(ying)(ying)用(yong)于(yu)國家(jia)大型光(guang)電系(xi)(xi)統項(xiang)(xiang)目(mu)；4米(mi)(mi)量級反射(she)鏡也即(ji)將(jiang)應(ying)(ying)(ying)用(yong)于(yu)國家(jia)重大工程項(xiang)(xiang)目(mu)。項(xiang)(xiang)目(mu)成果(guo)還將(jiang)持續應(ying)(ying)(ying)用(yong)于(yu)空間站多功能(neng)光(guang)學(xue)設施、國家(jia)重點(dian)研發(fa)計劃——“靜止軌道(dao)高分辨率輕(qing)型成像相機系(xi)(xi)統技(ji)術”等(deng)一系(xi)(xi)列國家(jia)重大項(xiang)(xiang)目(mu)。

　　姜會(hui)林也在排隊等著用(yong)4米(mi)口(kou)徑(jing)的大鏡(jing)子。他(ta)說：“我們(men)做空(kong)(kong)間探測希望(wang)(wang)能看見厘米(mi)級空(kong)(kong)間碎(sui)片，需(xu)要用(yong)到大口(kou)徑(jing)反射(she)鏡(jing)。很多人找我打聽什么能用(yong)上(shang)長(chang)春(chun)光機所(suo)的鏡(jing)子，希望(wang)(wang)技術成熟(shu)后能加速這個過(guo)程。”