4米碳化硅反射镜诞生记

　　一块直径4米的碳化硅反射镜躺在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称长春光机所）实验室中，闪闪发光。这块看似普通的镜子，却是国防工程中期待已久的技术突破。

　　8月21日，由长春光机所承担的国家重大科研装备研制项目“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”通过项目验收。不久的将来，它将在国家地基大型光电系统中发挥作用。

　　这是目前国际上公开报道的最大口径的高精度碳化硅非球面反射镜，也是我国自主制造出的最大一面反射镜。随着这一“卡脖子”技术的攻克，未来，“大镜子”将越来越多出现在我国国产大口径光电装备上。

　　口径决定观测极限

　　自1609年伽利略发明天文望远镜以来，光学系统观测能力的不断提升，离不开一个关键——口径。

　　项目验收专家、中国工程院院士姜会林表示，反射镜直径越大，光学望远镜的分辨率和精度就越高，尤其是针对运动目标。因此，对更大口径反射镜的需求是无止境的，也是国际竞争的焦点。

　　哈勃太空望远镜的口径2.4米，最远观测到距离地球134亿光年的宇宙深处；先进光电望远镜（AEOS）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；锁眼12（KH-12）卫星相机口径超过3米，对地分辨率可达0.1米。

　　长春光机所副所长张学军告诉《中国科学报》记者，反射镜口径的需求没有上限，其上限取决于制造加工能力。而这也是我国一直被“卡脖子”的瓶颈所在——在技术封锁下，我国只能使用直径1米以下的“小镜子”。

　　在各种反射镜基体材料中，微晶玻璃使用最多，目前最大口径可以达到单体8米、拼接12米以上。但这一技术被美国和法国两家公司垄断，口径超过2米便很难引进。

　　碳化硅的比刚度和热稳定性在各种材料中最优，且能实现轻量化结构，是制造反射镜的理想材料。例如，其比钢度是玻璃的4倍，同样厚度下，其抗变形能力比玻璃强4倍。但其制备难度极高，“我们也曾尝试购买，被外国公司以‘战略物资’为由拒绝了”。张学军透露。

　　在国家对大型光学仪器迫切的战略需求下，2009年底，经中科院和财政部策划支持，长春光机所启动“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”项目，历时8年终于攻克这一技术，完成4米量级高精度碳化硅非球面产品研制，并形成了具有自主知识产权的集成制造平台。

　　“我们选择了最好的材料，挑了一条难走的路，终于把路走通了。”张学军说。

　　十余年攻关

　　实际上，早在项目立项之前，长春光机所已经选择碳化硅材料为突破方向开始了相关研究，但并不被国际同行看好。碳化硅虽然性能优良，但存在的技术障碍也较大，难以突破1.5米的口径极限。

　　项目研发团队另辟蹊径，采用了一条过去没人成功过的技术路线，历经数百次实验探索与工艺验证，突破了一系列技术难关，终于完成了4米口径整体碳化硅镜坯。

　　走一条别人没走过的路，就意味着没有成功经验可借鉴。这块4米口径整体碳化硅镜坯先后失败了4次，第五次才成功。

　　“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。”张学军说。

　　第一块失败的镜坯张学军没看见全貌，等他赶到时，镜坯团队负责人赵文兴已经将其敲碎，正拿着破碎的颗粒研究失败原因。等到第五次出炉时，赵文兴已经不敢上前查看了。

　　镜坯制造完成后，还要经过漫长的加工流程。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。以可见光波段观测为例，面型精度要求差值小于20纳米，这就好比要求北京市的土地平整度差值小于1毫米。

　　加工难题接踵而至：碳化硅硬度极高，常见材料中仅次于金刚石，其磨削抛光至纳米表面精度难度极大。项目组在国外禁运大口径非球面数控加工设备的情况下，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，实现了加工与检测技术自主可控。最终，经过精抛光的反射面镀膜的反射率达到95%以上。

　　与此同时，项目组还开发了一整套具有完全自主知识产权的加工、检测装备，使大口径反射镜制造的全部核心技术真正掌握在自己手中。

　　逼出来的自主创新

　　1992年张学军博士在读，彼时我国载人航天刚刚立项，急需大口径反射镜。张学军回忆：“当时欧美都不卖，最后从俄罗斯进口了0.6 米直径的碳化硅反射镜。前年我去圣彼得堡访问，他们现在能做到1米直径。”

　　买不到又必须用，把长春光机所逼上了自主创新这条路。为了打破垄断，20世纪90年代末，他们就已布局光学级碳化硅陶瓷材料研究。

　　“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。国家需求很大，我们没有退路，必须把这条路走通。”张学军说。

　　张学军表示，大口径高精度非球面光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件和支撑技术。验收专家组在验收意见中指出，4米口径碳化硅反射镜工程产品“为空间大口径光学系统的研制解决了核心技术难题”。

　　“以前国外不卖给我们，我们干着急，现在他们反而提出要跟我们合作，这是跨越式发展的成果。”姜会林告诉《中国科学报》记者，“今天验收我们专家组特别高兴，长春光机所做出了国际最高水平的反射镜，以后我们在这个方向就能从跟跑、并跑到领跑。”

　　据悉，基于该项目成果研制完成的1.5米量级碳化硅非球面反射镜已成功应用于我国高分有效载荷；2米量级反射镜应用于国家大型光电系统项目；4米量级反射镜也即将应用于国家重大工程项目。项目成果还将持续应用于空间站多功能光学设施、国家重点研发计划——“静止轨道高分辨率轻型成像相机系统技术”等一系列国家重大项目。

　　姜会林也在排队等着用4米口径的大镜子。他说：“我们做空间探测希望能看见厘米级空间碎片，需要用到大口径反射镜。很多人找我打听什么能用上长春光机所的镜子，希望技术成熟后能加速这个过程。”