我国已全部掌握大口径反射镜制造核心技术

马维维 周立勋

2019年03月28日10:15  来源:科技日报
 
原标题:4.03米口径碳化硅反射镜,让宇宙更清晰

电影《流浪地球》热映,带动了大家对宇宙天体的关注,太空“火了”。在影片开头,航天员刘培强带着儿子刘启,一起用100mm口径的天文望远镜观测,木星的四颗卫星清晰可辨。

反射镜是高性能光学系统的核心。中科院长春光机所副所长张学军介绍说:“如果把望远镜比作观测太空的‘眼睛’,那么反射镜就是眼睛的‘晶状体’。晶状体越大,眼睛的空间分辨率也就越高,能够观测到天体更多的细节。”

2018年8月,中科院长春光机所完成4.03米大口径碳化硅反射镜研制并通过验收,这是公开报道过的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。由此,我国光学系统制造能力跻身国际先进水平,终于不再受制于人。

曾经我们只能“近视”

自1609年伽利略发明天文望远镜以来,无论是从地面仰望星空,还是从空间俯瞰大地、纵观寰宇,想要使望远镜的观测能力不断提升,都离不开一个关键——口径。

大望远镜装备对反射镜口径的需求没有上限,其上限取决于制造加工能力。对于口径的“实力”,张学军举例,大名鼎鼎的哈勃太空望远镜口径是2.4米,最远可以观测到距离地球134亿光年的宇宙深处;先进光电望远镜口径3.67米,成功观测到美国哥伦比亚号航天飞机事故的症结所在。

20世纪90年代初,我国1米以下口径空间反射镜材料一直依赖进口,那时载人航天刚刚起步,急需大口径反射镜。张学军回忆道:“当时欧美都不卖,最后从俄罗斯进口了0.6米直径的反射镜。”

这也是一直卡住我们脖子的问题——在技术封锁下,我国只能使用直径1米以下的“小镜子”。“我们也曾尝试向欧美国家购买大口径光学反射镜,不过被他们以‘战略物资’为由拒绝了。”张学军透露。

发展大口径碳化硅光学制造技术迫在眉睫。

“国家需求很大,我们没有退路,必须把这条路走通。正是西方国家的技术壁垒和封锁坚定了我们自主创新的决心。核心技术买不来,一定要走自主研发的道路!”张学军说。

四砸失败镜坯

买不到又必须用,把长春光机所逼上了自主创新这条路。

为了解决技术瓶颈,长春光机所选择了一条与国外不同的技术路线——选用碳化硅作为反射镜材料。碳化硅是制造反射镜的理想材料,其比刚度是玻璃的4倍,同样厚度下,抗变形能力比玻璃强4倍。“但其制备难度极高,所以并不被国际同行看好。”张学军坦言。

2009年底,长春光机所正式启动“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”项目,开始自主研制大口径高精度非球面反射镜制造系统。

4米碳化硅反射镜绝不仅仅是看着炫目,要想能够实际应用,必须依赖于碳化硅陶瓷镜坯。所以制造碳化硅反射镜的第一个难题,就是将碳化硅粉末烧制成整体的反射镜镜坯。张学军说:“用碳化硅烧制的陶瓷,口径一旦增大,就容易出现内部缺陷而导致开裂,一度被认为无法突破的口径极限是1.5米。”

由于没有经验,第一块镜坯毫无疑问地失败了。还没等张学军看见全貌,团队已经将其敲碎,用破碎的颗粒研究失败原因,张学军说:“在数百个工艺环节中,每一个细小的失误都有可能导致研制失败。”

项目团队顶着巨大压力,反复试验探索与工艺验证,先后突破了消失模制作、凝胶注模成型、无应力反应连接等一系列镜坯制备关键技术,2米、2.4米、3米单体碳化硅镜坯相继研制成功。

在经历了4次失败后,2016年,具有自主知识产权、4.03米碳化硅反射镜坯终于新鲜出炉了。“一次烧结需要五六个月,再加上前期准备,整个过程要1年,5次就是5年。这是一个漫长的过程。”

由“卡片机”变“单反”

镜坯制造完成后,接下来就是漫长的加工流程。“为了保证成像质量,光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求:优于20纳米。”张学军打了个比方,这就像对北京市的土地进行平整,要求平整度误差小于1毫米。

伴随着成功而来的,是接踵而至的难题:碳化硅硬度仅次于金刚石,其磨削抛光至纳米表面精度难度极大。从镜坯转变为反射镜,需要靠光学加工、改性和镀膜,不仅国内现有的光学加工设备无法满足要求,国际上也没有可引进的此类装备。

怎么办?自己干!

张学军介绍,长春光机所研制出适用于大口径碳化硅高精度制造的非球面数控加工中心,采用应力盘抛光、磁流变抛光等组合加工技术,在反射镜表面镀制和碳化硅相近的硅改性层,在此基础上进行精抛光,来达到非球面的制造精度、提升加工效率,实现了加工与检测技术自主可控。张学军说:“反射面镀膜的反射率达到95%以上,整体指标达到望远系统的要求,这相当于太空探测拍摄的图片质量,由‘卡片机’升级到加了一个高质量成像镜头的‘单反相机’。”

至此,碳化硅粉末终于变成了直径4.03米、重达1.6吨,高刚度、高面形精度的“大镜子”。

“仅掌握4米反射镜制造工艺,并不算掌握自主核心技术。”张学军说,围绕着大口径反射镜制造的工艺路线,一整套完整的、具有完全自主知识产权的加工、检测装备也同步开发完成,大口径反射镜制造的全部核心技术已经真正掌握在自己手中。

(责编:孝媛、汤龙)