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中國航天器的“瞳孔”將是全球最大
2018-08-29 09:24:16 來源: 揚子晚報
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  科研人員檢查4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡表面情況。

  用于制造高精度碳化硅非球面反射鏡鏡坯的高溫燒結爐。

  8月21日,探索9年、經18個月加工“打磨”,一塊直徑4米、重達1.6噸的“大鏡子”在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所通過項目驗收。這是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成制造係統”的最新成果,也是公開報道的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。

  關鍵詞1:“國際領先”

  自2009年項目立項以來,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(簡稱:中科院長春光機所)項目負責人張學軍研究員帶領的研發團隊經多年技術攻關,完成了碳化硅鏡坯制備、非球面加工檢測、碳化硅表面改性鍍膜的制造設備研制與制造工藝研究,形成了具有自主知識産權的“4米量級高精度碳化硅非球面集成制造平臺”,並依托集成制造平臺完成4米量級高精度碳化硅非球面産品研制。

  當天的項目驗收意見中,專家組寫道:“所有技術指標均達到或優于項目批復的實施方案規定的考核指標要求,係統性能國際領先。”

  關鍵詞2:超越極限

  大口徑高精度非球面光學反射鏡是高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測係統的核心元件。相比傳統光學玻璃材料,碳化硅以其優越的性能,成為國際光學界公認的高穩定性光學反射鏡材料。此前,國際上公認1.5米是單體碳化硅反射鏡的極限口徑。

  中科院長春光機所于今年7月完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制,它也是目前為止世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。

  如果把這只“瞳孔”裝到望遠鏡裏,將極大地提升望遠鏡的分辨率。

  關鍵詞3:另辟蹊徑

  張學軍告訴記者,反射鏡口徑的需求沒有上限,其上限取決于制造加工能力,而這也是我國一直被“卡脖子”的瓶頸所在——在技術封鎖下,我國只能使用直徑1米以下的“小鏡子”。

  “當反射鏡口徑超過一定量級,光學材料和光學加工都會面臨巨大挑戰。這對反射鏡鏡坯材料和光學加工技術都提出了苛刻要求。”

  在各種基體材料中,微晶玻璃使用最多,目前最大口徑可以達到單體8米、拼接12米以上,但這一技術被美國和法國兩家公司壟斷,口徑超過2米便很難引進。碳化硅的比剛度和熱穩定性在各種材料中最優,且能實現輕量化結構,是制造反射鏡的理想材料,但其制備難度極高,“我們也曾嘗試購買,被外國公司以‘戰略物資’為由拒絕了”。張學軍透露。

  “我們選擇了最好的材料,挑了一條難走的路,終于把路走通了。”張學軍説,團隊另辟蹊徑,採用了一條過去沒人成功過的技術路線。經歷數百次實驗探索與工藝驗證,項目研發團隊突破了一係列關鍵技術,建立了大口徑碳化硅鏡坯制造平臺,並先後研制成功2米、3米單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯。

  這塊4米口徑整體碳化硅鏡坯先後失敗了4次,第五次才成功。“一次燒結需要五六個月,再加上前期準備,整個過程要1年,5次就是5年。這是一個漫長的過程。”張學軍説。

  關鍵詞4:自主研發

  然後,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精度難度極大。項目組在國外禁運大口徑非球面數控加工設備的情況下,研制出適用于大口徑碳化硅高精度制造的非球面數控加工中心,實現了加工與檢測技術自主可控。最終,經過精拋光的反射面鍍膜的反射率達到95%以上。

  “僅掌握4米反射鏡制造工藝,並不算掌握自主核心技術。”張學軍告訴記者,研發團隊現已完成4米反射鏡制造所需全套制造裝備的研發,全部擁有自主知識産權。

  有媒體這樣點評説,“未來地面上,將會懸起一面面中國制造的4米碳化硅巨鏡,它們將肩負起採集百億光年外的宇宙信號、監測近地空間每塊微小碎片的重任。”

  綜合新華社、中國科學報等報道

  專家解讀

  我國太空探測

  多了個高質量“成像鏡頭”

  直徑4.03米碳化硅反射鏡的誕生,為什麼會引發如此高的關注度?南京航空航天大學理學院李晉斌副教授應邀就碳化硅反射鏡的相關問題做了科普。

  他表示,4米量級碳化硅反射鏡的誕生,不僅意味著未來太空探測會更加精密,更重要的在于,這一成果表明我國已掌握大口徑反射鏡最核心技術,標志我國光學係統制造能力躋身國際先進水平,為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。

  “拋光大鏡子”的難度在哪裏?

  幾乎零誤差,精密機械制造技術實現重大突破

  碳化硅反射鏡的加工過程,儼然是一面“大鏡子”正在“拋光”,但碳化硅反射鏡的“拋光”,和我們普通意義上的拋光難度顯然不是一個數量級。

  現代大口徑光學係統均採用反射式結構,其中主鏡口徑直接決定了係統的分辨能力,同時也是係統中制造難度最大的核心關鍵,為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量,光學係統對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。

  李晉斌介紹,碳化硅的硬度僅次于金剛石,一整塊的碳化硅,鏡胚越大,加工的難度越高。以可見光波段觀測為例,面型精度也就是鏡面的平整程度要求優于20納米。

  為了使這個數字更直觀,張學軍曾在接受媒體採訪時打了一個比方:這就像對北京市大小的土地進行平整,並要求平整度誤差小于1毫米。

  李晉斌告訴記者,這次,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所成功“拋光”制成的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡,不僅在誤差上實現突破,更是我國精密機械制造基礎的一次革新。

  長期以來,大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術,一直被美國、法國、德國等少數西方國家掌握,我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡能力。只有真正掌握了自主制造4米量級大口徑反射鏡能力,才能讓我國的精密機械制造再進一步。

  “大鏡子”有什麼用?

  它的“拍照效果”類似高質量成像鏡頭

  制造出這麼大一面碳化硅反射鏡可不是為了顯擺,因為在航空航天領域,碳化硅反射鏡可是大有用途。李晉斌老師告訴記者,光學儀器分辨率會受到鏡頭尺寸的影響,口徑越大的光學儀器,成像效果會更好。

  他做了一個通俗易懂的比方,碳化硅反射鏡應用在航空航天領域,儼然是跟隨火箭進入太空的“衛星相機”,在4米量級的反射鏡沒能制造出來之前,我國的太空探測大多停留在“卡片機”階段,在國外,先進的技術已經讓太空探測用上了“單反相機”,比如部分天文愛好者熟悉的空間太空望遠鏡,它的口徑是2.4米,最遠能觀測到距離地球134億光年的宇宙深處。

  而這一次,我國自主制造的4米量級碳化硅反射鏡,不僅可以讓太空探測“拍攝”的“圖片質量”從“卡片機”躥升到“單反相機”效果,而且還相當于給“單反相機”加了一個可以高質量成像的鏡頭,捕捉蛛絲馬跡會更加清晰立體。

  用拍照來作比方,是為了便于讀者理解。李晉斌補充道,碳化硅反射鏡進入太空後,“拍照”成像只是最基本的工作,而從空間俯瞰大地、遙感數據、縱觀寰宇,都將是大口徑碳化硅反射鏡的職能工作。

  未來,4米口徑碳化硅反射鏡工程産品即將應用于國家地基大型光電係統,也為空間大口徑光學係統的研制解決了核心技術難題。

  (記者 楊甜子)

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【糾錯】 責任編輯: 徐宙超
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