美丽大眼睛看清大宇宙 中国制成世界最大口径单体碳化硅反射镜

时间:2021-01-31
中国国家重大科研装备研制项目“4m量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”21日在长春通过验收。这是目前世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。它标志着中国光学系统先进制造能力达到了国际先进水平。

【侨报网综合报道】中国国家重大科研装备研制项目“4m量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”21日在长春通过验收。

综合中新社、央广网报道,中科院长春光机所研制的直径4.03米口径高精度碳化硅非球面反射镜,是目前世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。它标志着中国光学系统先进制造能力达到了国际先进水平;同时为中国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。其核心制造设备以及制造工艺具有完全自主知识产权。

直径4.03米的碳化硅反射镜像一个巨大的圆盘,在灯光的照射下闪闪发光。如果把这只“大眼睛”装到望远镜里,将极大提升望远镜的分辨率。这种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。其制造技术水平,对国家的国防安全、国民经济建设、基础科研能力具有重要意义,也是衡量一个国家高性能光学系统的研制水平的重要标志。

那么这只美丽的大眼睛是怎样炼成的呢?

大口径光学反射镜的制造难度,主要集中在反射镜镜坯制造、反射镜光学加工等制造工艺环节。从碳化硅粉末,到最终变成高刚度、高面形精度的4米反射镜。

制造碳化硅反射镜第一步,是将碳化硅粉末烧制成整体的反射镜镜坯。4米碳化硅反射镜绝不仅仅是看着美丽,要想实现工程化应用,必须达到并保持极高面形精度。它依赖于反射镜“强健的筋骨”——碳化硅陶瓷镜坯。

目前,国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍,以及碳纤维/碳化硅复合材料等。相比其他材料,碳化硅具有更大的比刚度和热稳定性。这使得在实现同样的光学口径和精度要求下,碳化硅反射镜更轻、热稳定性更优。

尽管碳化硅的面密度已经足够小,但对反射镜的“瘦身”还远未完成。目前世界上大多数反射镜由于制备技术限制,均采用开放式的轻量化结构。与它们不同,长春光机所采用类似“果冻”制品的成型方式,通过一次注模,实现具有背部半封闭轻量化结构的镜坯成型,既避免了实现轻量化结构的复杂机械加工过程;又进一步降低了反射镜的质量、提高了反射镜的结构刚度。

成型后的反射镜镜坯经两次烧结后,“大眼睛”的一身“钢筋铁骨”就练就好了。再经过光学加工、改性和镀膜等工艺,粗糙的陶瓷坯摇身一变,成为了一块反射率达到95%以上的高精度反射镜。

历时15年探索攻关,9年立项研制最终成功

项目负责人、中科院长春光机所副所长张学军研究员介绍说,碳化硅陶瓷材料则是国际光学界公认的高稳定性光学反射镜材料,但欧美国家在大口径碳化硅光学反射镜制造技术方面长期处于垄断地位,中国必须自主发展大口径碳化硅光学制造技术。

长春光机所研究团队耗时十余年、经历数百次实验探索与工艺验证,先后突破了1米、2米口径的碳化硅反射镜镜坯,最终研制出4米口径碳化硅镜坯。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,使大口径反射镜制造的全部核心技术真正掌握自己手中。

早在2003年,中科院长春光机所就开始对大口径碳化硅光学反射镜制造技术进行探索攻关,2009年底,面向国家对大型光学仪器的战略需求,中央财政投入1.96亿元人民币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”,正式在中科院长春光机所立项启动。

项目启动后,张学军领导的研发团队通过多年持续技术攻关,突破一系列关键技术瓶颈,先后完成碳化硅镜坯制备、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。

其中,在碳化硅材料制备技术方面,项目研发团队创建大口径碳化硅镜坯制造平台,并先后研制成功可用于可见光成像的2米、2.4米、3米单体碳化硅镜坯和4米口径整体碳化硅镜坯,而此前国际上公认1.5米是单体碳化硅反射镜的极限口径,从而实现中国大口径碳化硅光学材料制备的自主可控。

在大口径碳化硅非球面加工检测技术方面,项目研发团队突破大口径碳化硅非球面高精度高效加工技术瓶颈,并解决了高精度零位检测精度标定、调整误差分离、投影畸变校正等关键问题,完成4米量级碳化硅非球面高精度加工,加工精度优于16纳米,全面实现4米量级碳化硅高精度加工与检测技术自主可控。

在大口径碳化硅改性镀膜技术方面,项目研发团队在国际上首次研制成功碳化硅反射镜改性与反射膜镀制一体化设备,提升膜层质量与可靠性,实现4米口径碳化硅反射镜表面高反射率薄膜镀制,可见至长波红外全谱段反射率优于95%。

专家指出,中国通过研制成功“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”,形成具备自主知识产权的4米量级大口径反射镜研制能力,并陆续应用于中国各类大型光电设备,将推动中国在大口径光学反射镜制造技术方面实现跨越式发展,大幅提升中国高性能大型光学仪器研制水平。

张学军表示,目前,“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”项目成果已获得一系列重要应用:2米量级碳化硅非球面反射镜已应用于国家大型光电系统项目;4米量级碳化硅非球面反射镜即将应用于国家重大工程项目。同时,项目成果将持续应用于中国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”等一系列国家重大基础研究和工程项目研制。

他透露,“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”项目研究成果还成功应用于多项国家重大型号项目及背景预研项目中,并成功牵引出总经费近50亿元的多项国家重大型号项目。(完)