把“命門”掌握在自己手中 馬維維 周立勛 電影《流浪地球》熱映,帶動(dòng)了大家對(duì)宇宙天體的關(guān)注,太空“火了”。在影片開頭,航天員劉培強(qiáng)帶著兒子劉啟,一起用100mm口徑的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè),木星的四顆衛(wèi)星清晰可辨。 反射鏡是高性能光學(xué)系統(tǒng)的核心。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所副所長(zhǎng)張學(xué)軍介紹說:“如果把望遠(yuǎn)鏡比作觀測(cè)太空的‘眼睛’,那么反射鏡就是眼睛的‘晶狀體’。晶狀體越大,眼睛的空間分辨率也就越高,能夠觀測(cè)到天體更多的細(xì)節(jié)?!?/p> 2018年8月,中科院長(zhǎng)春光機(jī)所完成4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制并通過驗(yàn)收,這是公開報(bào)道過的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。由此,我國(guó)光學(xué)系統(tǒng)制造能力躋身國(guó)際先進(jìn)水平,終于不再受制于人。 曾經(jīng)我們只能“近視” 自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來,無論是從地面仰望星空,還是從空間俯瞰大地、縱觀寰宇,想要使望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力不斷提升,都離不開一個(gè)關(guān)鍵——口徑。 大望遠(yuǎn)鏡裝備對(duì)反射鏡口徑的需求沒有上限,其上限取決于制造加工能力。對(duì)于口徑的“實(shí)力”,張學(xué)軍舉例,大名鼎鼎的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡口徑是2.4米,最遠(yuǎn)可以觀測(cè)到距離地球134億光年的宇宙深處;先進(jìn)光電望遠(yuǎn)鏡口徑3.67米,成功觀測(cè)到美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)事故的癥結(jié)所在。 20世紀(jì)90年代初,我國(guó)1米以下口徑空間反射鏡材料一直依賴進(jìn)口,那時(shí)載人航天剛剛起步,急需大口徑反射鏡。張學(xué)軍回憶道:“當(dāng)時(shí)歐美都不賣,最后從俄羅斯進(jìn)口了0.6米直徑的反射鏡?!?/p> 這也是一直卡住我們脖子的問題——在技術(shù)封鎖下,我國(guó)只能使用直徑1米以下的“小鏡子”?!拔覀円苍鴩L試向歐美國(guó)家購(gòu)買大口徑光學(xué)反射鏡,不過被他們以‘戰(zhàn)略物資’為由拒絕了?!睆垖W(xué)軍透露。 發(fā)展大口徑碳化硅光學(xué)制造技術(shù)迫在眉睫。 “國(guó)家需求很大,我們沒有退路,必須把這條路走通。正是西方國(guó)家的技術(shù)壁壘和封鎖堅(jiān)定了我們自主創(chuàng)新的決心。核心技術(shù)買不來,一定要走自主研發(fā)的道路!”張學(xué)軍說。 四砸失敗鏡坯 買不到又必須用,把長(zhǎng)春光機(jī)所逼上了自主創(chuàng)新這條路。 為了解決技術(shù)瓶頸,長(zhǎng)春光機(jī)所選擇了一條與國(guó)外不同的技術(shù)路線——選用碳化硅作為反射鏡材料。碳化硅是制造反射鏡的理想材料,其比剛度是玻璃的4倍,同樣厚度下,抗變形能力比玻璃強(qiáng)4倍。“但其制備難度極高,所以并不被國(guó)際同行看好。”張學(xué)軍坦言。 2009年底,長(zhǎng)春光機(jī)所正式啟動(dòng)“4米量級(jí)高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項(xiàng)目,開始自主研制大口徑高精度非球面反射鏡制造系統(tǒng)。 4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著炫目,要想能夠?qū)嶋H應(yīng)用,必須依賴于碳化硅陶瓷鏡坯。所以制造碳化硅反射鏡的第一個(gè)難題,就是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。張學(xué)軍說:“用碳化硅燒制的陶瓷,口徑一旦增大,就容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷而導(dǎo)致開裂,一度被認(rèn)為無法突破的口徑極限是1.5米?!?/p> 由于沒有經(jīng)驗(yàn),第一塊鏡坯毫無疑問地失敗了。還沒等張學(xué)軍看見全貌,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將其敲碎,用破碎的顆粒研究失敗原因,張學(xué)軍說:“在數(shù)百個(gè)工藝環(huán)節(jié)中,每一個(gè)細(xì)小的失誤都有可能導(dǎo)致研制失敗?!?/span> 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)頂著巨大壓力,反復(fù)試驗(yàn)探索與工藝驗(yàn)證,先后突破了消失模制作、凝膠注模成型、無應(yīng)力反應(yīng)連接等一系列鏡坯制備關(guān)鍵技術(shù),2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯相繼研制成功。 在經(jīng)歷了4次失敗后,2016年,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、4.03米碳化硅反射鏡坯終于新鮮出爐了?!耙淮螣Y(jié)需要五六個(gè)月,再加上前期準(zhǔn)備,整個(gè)過程要1年,5次就是5年。這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程?!?/p> 由“卡片機(jī)”變“單反” 鏡坯制造完成后,接下來就是漫長(zhǎng)的加工流程?!盀榱吮WC成像質(zhì)量,光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面型精度有著苛刻的要求:優(yōu)于20納米?!睆垖W(xué)軍打了個(gè)比方,這就像對(duì)北京市的土地進(jìn)行平整,要求平整度誤差小于1毫米。 伴隨著成功而來的,是接踵而至的難題:碳化硅硬度僅次于金剛石,其磨削拋光至納米表面精度難度極大。從鏡坯轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷溏R,需要靠光學(xué)加工、改性和鍍膜,不僅國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的光學(xué)加工設(shè)備無法滿足要求,國(guó)際上也沒有可引進(jìn)的此類裝備。 怎么辦?自己干! 張學(xué)軍介紹,長(zhǎng)春光機(jī)所研制出適用于大口徑碳化硅高精度制造的非球面數(shù)控加工中心,采用應(yīng)力盤拋光、磁流變拋光等組合加工技術(shù),在反射鏡表面鍍制和碳化硅相近的硅改性層,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精拋光,來達(dá)到非球面的制造精度、提升加工效率,實(shí)現(xiàn)了加工與檢測(cè)技術(shù)自主可控。張學(xué)軍說:“反射面鍍膜的反射率達(dá)到95%以上,整體指標(biāo)達(dá)到望遠(yuǎn)系統(tǒng)的要求,這相當(dāng)于太空探測(cè)拍攝的圖片質(zhì)量,由‘卡片機(jī)’升級(jí)到加了一個(gè)高質(zhì)量成像鏡頭的‘單反相機(jī)’。” 至此,碳化硅粉末終于變成了直徑4.03米、重達(dá)1.6噸,高剛度、高面形精度的“大鏡子”。 “僅掌握4米反射鏡制造工藝,并不算掌握自主核心技術(shù)?!睆垖W(xué)軍說,圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線,一整套完整的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加工、檢測(cè)裝備也同步開發(fā)完成,大口徑反射鏡制造的全部核心技術(shù)已經(jīng)真正掌握在自己手中。
|