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直径4米的碳化硅反射镜通过验收! 中国航天器的“瞳孔”全球最大
来源:扬子晚报网 2018-08-29 08:59:44

  科研人员检查4米量级高精度碳化硅非球面反射镜表面情况。

  用于制造高精度碳化硅非球面反射镜镜坯的高温烧结炉。

  8月21日,探索9年、经18个月加工“打磨”,一块直径4米、重达1.6吨的“大镜子”在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所通过项目验收。这是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”的最新成果,也是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。

  关键词1:“国际领先”

  自2009年项目立项以来,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称:中科院长春光机所)项目负责人张学军研究员带领的研发团队经多年技术攻关,完成了碳化硅镜坯制备、非球面加工检测、碳化硅表面改性镀膜的制造设备研制与制造工艺研究,形成了具有自主知识产权的“4米量级高精度碳化硅非球面集成制造平台”,并依托集成制造平台完成4米量级高精度碳化硅非球面产品研制。

  当天的项目验收意见中,专家组写道:“所有技术指标均达到或优于项目批复的实施方案规定的考核指标要求,系统性能国际领先。”

  关键词2:超越极限

  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。相比传统光学玻璃材料,碳化硅以其优越的性能,成为国际光学界公认的高稳定性光学反射镜材料。此前,国际上公认1.5米是单体碳化硅反射镜的极限口径。

  中科院长春光机所于今年7月完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制,它也是目前为止世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。

  如果把这只“瞳孔”装到望远镜里,将极大地提升望远镜的分辨率。

  关键词3:另辟蹊径

  张学军告诉记者,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”。

  “当反射镜口径超过一定量级,光学材料和光学加工都会面临巨大挑战。这对反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了苛刻要求。”

  在各种基体材料中,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,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。

  “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,团队另辟蹊径,采用了一条过去没人成功过的技术路线。经历数百次实验探索与工艺验证,项目研发团队突破了一系列关键技术,建立了大口径碳化硅镜坯制造平台,并先后研制成功2米、3米单体碳化硅镜坯和4米口径整体碳化硅镜坯。

  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。

  关键词4:自主研发

  然后,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。

  “仅掌握4米反射镜制造工艺,并不算掌握自主核心技术。”张学军告诉记者,研发团队现已完成4米反射镜制造所需全套制造装备的研发,全部拥有自主知识产权。

  有媒体这样点评说,“未来地面上,将会悬起一面面中国制造的4米碳化硅巨镜,它们将肩负起采集百亿光年外的宇宙信号、监测近地空间每块微小碎片的重任。”

  综合新华社、中国科学报等报道

  专家解读

  我国太空探测

  多了个高质量“成像镜头”

  直径4.03米碳化硅反射镜的诞生,为什么会引发如此高的关注度?南京航空航天大学理学院李晋斌副教授应邀就碳化硅反射镜的相关问题做了科普。

  他表示,4米量级碳化硅反射镜的诞生,不仅意味着未来太空探测会更加精密,更重要的在于,这一成果表明我国已掌握大口径反射镜最核心技术,标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平,为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。

  “抛光大镜子”的难度在哪里?

  几乎零误差,精密机械制造技术实现重大突破

  碳化硅反射镜的加工过程,俨然是一面“大镜子”正在“抛光”,但碳化硅反射镜的“抛光”,和我们普通意义上的抛光难度显然不是一个数量级。

  现代大口径光学系统均采用反射式结构,其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力,同时也是系统中制造难度最大的核心关键,为了保证望远镜的分辨率和成像质量,光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求。

  李晋斌介绍,碳化硅的硬度仅次于金刚石,一整块的碳化硅,镜胚越大,加工的难度越高。以可见光波段观测为例,面型精度也就是镜面的平整程度要求优于20纳米。

  为了使这个数字更直观,张学军曾在接受媒体采访时打了一个比方:这就像对北京市大小的土地进行平整,并要求平整度误差小于1毫米。

  李晋斌告诉记者,这次,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所成功“抛光”制成的世界上最大口径碳化硅单体反射镜,不仅在误差上实现突破,更是我国精密机械制造基础的一次革新。

  长期以来,大口径反射镜镜坯制造和反射镜加工技术,一直被美国、法国、德国等少数西方国家掌握,我国始终不具备自主制造4米量级大口径反射镜能力。只有真正掌握了自主制造4米量级大口径反射镜能力,才能让我国的精密机械制造再进一步。

  “大镜子”有什么用?

  它的“拍照效果”类似高质量成像镜头

  制造出这么大一面碳化硅反射镜可不是为了显摆,因为在航空航天领域,碳化硅反射镜可是大有用途。李晋斌老师告诉记者,光学仪器分辨率会受到镜头尺寸的影响,口径越大的光学仪器,成像效果会更好。

  他做了一个通俗易懂的比方,碳化硅反射镜应用在航空航天领域,俨然是跟随火箭进入太空的“卫星相机”,在4米量级的反射镜没能制造出来之前,我国的太空探测大多停留在“卡片机”阶段,在国外,先进的技术已经让太空探测用上了“单反相机”,比如部分天文爱好者熟悉的空间太空望远镜,它的口径是2.4米,最远能观测到距离地球134亿光年的宇宙深处。

  而这一次,我国自主制造的4米量级碳化硅反射镜,不仅可以让太空探测“拍摄”的“图片质量”从“卡片机”蹿升到“单反相机”效果,而且还相当于给“单反相机”加了一个可以高质量成像的镜头,捕捉蛛丝马迹会更加清晰立体。

  用拍照来作比方,是为了便于读者理解。李晋斌补充道,碳化硅反射镜进入太空后,“拍照”成像只是最基本的工作,而从空间俯瞰大地、遥感数据、纵观寰宇,都将是大口径碳化硅反射镜的职能工作。

  未来,4米口径碳化硅反射镜工程产品即将应用于国家地基大型光电系统,也为空间大口径光学系统的研制解决了核心技术难题。

扬子晚报/扬眼记者 杨甜子

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