中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械物理研究所(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春光機(jī)所)的實(shí)驗(yàn)室里放著一面直徑4米的碳化硅反射鏡，閃閃發(fā)光。這面看似普通的鏡子，是國(guó)防工程期待已久的技術(shù)突破。
8月21日，長(zhǎng)春光機(jī)所承擔(dān)的國(guó)家重大科研設(shè)備開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“4米高精度碳化硅非球面鏡集成制造系統(tǒng)”通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收。在不久的將來(lái)，它將在國(guó)家陸基大規(guī)模光電系統(tǒng)中發(fā)揮作用。
這是目前世界上公開(kāi)報(bào)道的最大直徑高精度碳化硅非球面鏡，也是國(guó)內(nèi)自主制造的最大的鏡子。隨著這種“卡脖子”技術(shù)的捕捉，未來(lái)國(guó)內(nèi)大口徑光電設(shè)備上將越來(lái)越多地出現(xiàn)“大鏡子”。
自1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)能力的不斷提高，離不開(kāi)一個(gè)——的關(guān)鍵孔徑。
中國(guó)工程院院士、項(xiàng)目驗(yàn)收專家蔣慧琳表示，反射鏡直徑越大，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率和精度越高，尤其是對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。記住4米碳化硅，因此，對(duì)更大口徑鏡子的需求是無(wú)止境的，也是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡直徑2.4米，觀測(cè)到的宇宙深度遠(yuǎn)至距離地球134億光年；先進(jìn)光電望遠(yuǎn)鏡(AEOS)直徑3.67米，成功觀測(cè)到美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)事故癥結(jié)所在；鎖眼12(KH-12)衛(wèi)星相機(jī)孔徑超過(guò)3米，對(duì)地分辨率可達(dá)0.1米。
長(zhǎng)春光機(jī)所副所長(zhǎng)張學(xué)軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》對(duì)鏡面直徑的需求沒(méi)有上限，上限取決于制造和加工能力。綠色碳化硅，這也是中國(guó)“卡脖子”的瓶頸。在技術(shù)封鎖下，中國(guó)只能使用直徑小于1米的“小鏡子”。鏡子誕生了
在各種鏡面基材材料中，微晶玻璃使用最多。目前單體最大直徑可達(dá)8米，拼接可達(dá)12米以上。但是這項(xiàng)技術(shù)被美國(guó)和法國(guó)公司壟斷，直徑超過(guò)2米就很難引進(jìn)。
碳化硅在各種材料中具有最好的比剛度和熱穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)，是制造鏡子的理想材料。例如，它的比剛度是玻璃的四倍，在相同厚度下，它的抗變形能力是玻璃的四倍。然而，它的制備極其困難?！拔覀?cè)噲D購(gòu)買它，但被外國(guó)公司以‘戰(zhàn)略物資’為由拒絕了”。張學(xué)軍透露。
在國(guó)家對(duì)大型光學(xué)儀器的迫切戰(zhàn)略需求下，長(zhǎng)春光機(jī)所在中科院和財(cái)政部的規(guī)劃和支持下，于2009年底啟動(dòng)了“4米高精度碳化硅非球面鏡集成制造系統(tǒng)”項(xiàng)目。用了8年時(shí)間，終于攻克了這項(xiàng)技術(shù)，完成了4米高精度碳化硅非球面產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成制造平臺(tái)。其實(shí)早在項(xiàng)目成立之前，長(zhǎng)春光機(jī)所就選擇了碳化硅作為突破方向，并開(kāi)始了相關(guān)研究，但并沒(méi)有得到國(guó)際同行的青睞。碳化硅雖然性能優(yōu)異，但存在很大的技術(shù)障礙，難以突破1.5米的直徑限制。
R&D項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采取了一種不同的方法，采用了一種過(guò)去沒(méi)有人成功過(guò)的技術(shù)路線。經(jīng)過(guò)數(shù)百次的實(shí)驗(yàn)探索和工藝驗(yàn)證，突破了一系列技術(shù)難點(diǎn)，最終完成了直徑4米的整體碳化硅鏡坯。
走別人沒(méi)走過(guò)的路，意味著沒(méi)有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。這個(gè)直徑4米的單片碳化硅鏡坯失敗了4次，成功了第5次。
“燒結(jié)一次需要五六個(gè)月，整個(gè)過(guò)程需要一年，五次就是五年。這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程?！睆垖W(xué)軍說(shuō)。
張學(xué)軍，第一個(gè)失敗的空白鏡子，沒(méi)有看到整個(gè)畫(huà)面。到的時(shí)候，鏡坯小組負(fù)責(zé)人趙文星已經(jīng)把它打碎了，正在用碎粒子研究失敗的原因。到了第五次發(fā)布的時(shí)候，文不敢上前查看了。
鏡片毛坯制造完成后，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的加工流程。為了保證成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的表面精度有嚴(yán)格的要求。以可見(jiàn)光波段觀測(cè)為例，表面精度差小于20納米，就像北京要求陸地平整度差小于1毫米一樣。
加工問(wèn)題層出不窮：碳化硅的硬度極高，在普通材料中僅次于金剛石，研磨拋光到納米表面精度極其困難。項(xiàng)目組在國(guó)外禁運(yùn)大直徑非球面數(shù)控加工設(shè)備的情況下，開(kāi)發(fā)了適合大直徑碳化硅高精度制造的非球面數(shù)控加工中心，實(shí)現(xiàn)了加工和檢測(cè)技術(shù)的自主控制。最后，拋光后反射面上涂層的反射率達(dá)到95%以上。
同時(shí)，項(xiàng)目組還開(kāi)發(fā)了一整套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加工檢測(cè)設(shè)備，使制造大口徑鏡子的所有核心技術(shù)真正掌握在自己手中。
1992年，張學(xué)軍博士正在學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)中國(guó)載人航天剛剛建立，急需大直徑鏡子。張學(xué)軍回憶說(shuō)：“當(dāng)時(shí)歐美沒(méi)有賣。最后從俄羅斯進(jìn)口了直徑0.6米的碳化硅鏡。我前年去過(guò)圣彼得堡，他們現(xiàn)在可以達(dá)到1米的直徑。”
買不到就一定要用，迫使長(zhǎng)春光機(jī)所走上自主創(chuàng)新之路。為了打破壟斷，20世紀(jì)90年代末，他們開(kāi)始研究光學(xué)級(jí)碳化硅陶瓷材料。
“正是西方國(guó)家的技術(shù)壁壘和封鎖增強(qiáng)了我們自主創(chuàng)新的決心。國(guó)內(nèi)需求量很大。我們沒(méi)有退路，我們必須走這條路。”張學(xué)軍說(shuō)。大口徑高精度非球面光學(xué)鏡是一種高分辨率的空間地球觀測(cè)、深空探測(cè)