文/陳歡歡

一塊直徑4米的碳化硅反射鏡躺在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（下稱“長(zhǎng)春光機(jī)所”）實(shí)驗(yàn)室中，閃閃發(fā)光。這塊看似普通的鏡子卻是國(guó)防工程中期待已久的技術(shù)突破。

8月21日，由長(zhǎng)春光機(jī)所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“4米量級(jí)高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收。不久的將來(lái)，它將在國(guó)家地基大型光電系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

這是目前國(guó)際上公開(kāi)報(bào)道的最大口徑的高精度碳化硅非球面反射鏡，也是我國(guó)自主制造出的最大的一面反射鏡。隨著這一“卡脖子”技術(shù)的攻克，未來(lái)，“大鏡子”將越來(lái)越多地出現(xiàn)在我國(guó)國(guó)產(chǎn)大口徑光電裝備上。

口徑?jīng)Q定觀測(cè)極限

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)能力的不斷提升，離不開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵——口徑。

項(xiàng)目驗(yàn)收專家、中國(guó)工程院院士姜會(huì)林表示，反射鏡直徑越大，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率和精度就越高，尤其是針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。因此，對(duì)更大口徑反射鏡的需求是無(wú)止境的，也是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的口徑為2.4米，最遠(yuǎn)能觀測(cè)到距離地球134億光年的宇宙深處；AEOS地基望遠(yuǎn)鏡的口徑為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；鎖眼12（KH-12）衛(wèi)星相機(jī)口徑超過(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)軍介紹，反射鏡口徑的需求沒(méi)有上限，其上限取決于制造加工能力。而這也是我國(guó)一直被“卡脖子”的瓶頸所在——在技術(shù)封鎖下，我國(guó)只能使用直徑1米以下的“小鏡子”。

在各種反射鏡基體材料中，微晶玻璃使用最多，目前最大口徑可以達(dá)到單體8米、拼接12米以上。但這一技術(shù)被美國(guó)和法國(guó)兩家公司壟斷，口徑超過(guò)2米便很難引進(jìn)。

碳化硅的比剛度和熱穩(wěn)定性在各種材料中最優(yōu)，且能實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)，是制造反射鏡的理想材料。例如，其比剛度是玻璃的4倍，同樣厚度下，其抗變形能力比玻璃強(qiáng)4倍。但其制備難度極高，“我們也曾嘗試購(gòu)買(mǎi)，被外國(guó)公司以‘戰(zhàn)略物資’為由拒絕了”。張學(xué)軍說(shuō)。

在國(guó)家對(duì)大型光學(xué)儀器迫切的戰(zhàn)略需求下，2009年底，經(jīng)中國(guó)科學(xué)院和財(cái)政部策劃支持，長(zhǎng)春光機(jī)所啟動(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，歷時(shí)8年終于攻克這一技術(shù)，完成4米量級(jí)高精度碳化硅非球面產(chǎn)品研制，并形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成制造平臺(tái)。

“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?！睆垖W(xué)軍說(shuō)。

歷經(jīng)數(shù)百次實(shí)驗(yàn)探索

實(shí)際上，早在項(xiàng)目立項(xiàng)之前，長(zhǎng)春光機(jī)所已經(jīng)選擇碳化硅材料為突破方向開(kāi)始了相關(guān)研究，但并不被國(guó)際同行看好。碳化硅雖然性能優(yōu)良，但存在的技術(shù)障礙也較大，難以突破1.5米的口徑極限。

項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采用了一條過(guò)去沒(méi)人成功過(guò)的技術(shù)路線，歷經(jīng)數(shù)百次實(shí)驗(yàn)探索與工藝驗(yàn)證，突破了一系列技術(shù)難關(guān)，終于完成了4米口徑整體碳化硅鏡坯。

走一條別人沒(méi)走過(guò)的路，就意味著沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒。這塊4米口徑整體碳化硅鏡坯先后失敗了4次，第5次才成功。

“一次燒結(jié)需要五六個(gè)月，再加上前期準(zhǔn)備，整個(gè)過(guò)程要1年，5次就是5年。這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程?！睆垖W(xué)軍說(shuō)。

第1塊失敗鏡坯的全貌張學(xué)軍沒(méi)看見(jiàn)，等他趕到時(shí)，鏡坯團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙文興已經(jīng)將其敲碎，正拿著破碎的顆粒研究失敗原因。等到第5次出爐時(shí)，趙文興已經(jīng)不敢上前查看了。

鏡坯制造完成后，還要經(jīng)過(guò)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)反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。以可見(jiàn)光波段觀測(cè)為例，面型精度要求差值小于20納米，這就好比要求北京市的土地平整度差值小于1毫米。

加工難題接踵而至：碳化硅硬度極高，常見(jiàn)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(xiàng)目組在國(guó)外禁運(yùn)大口徑非球面數(shù)控加工設(shè)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(shù)控加工中心，實(shí)現(xiàn)了加工與檢測(cè)技術(shù)自主可控。最終，經(jīng)過(guò)精拋光的反射面鍍膜的反射率達(dá)到95%以上。

與此同時(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)裝備，使大口徑反射鏡制造的全部核心技術(shù)真正掌握在自己手中。

逼出來(lái)的自主創(chuàng)新

1992年，張學(xué)軍博士在讀，彼時(shí)我國(guó)載人航天剛剛立項(xiàng)，急需大口徑反射鏡。張學(xué)軍回憶：“當(dāng)時(shí)歐美都不賣(mài)，最后從俄羅斯進(jìn)口了0.6米直徑的碳化硅反射鏡?！?/p>

買(mǎi)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。為了打破壟斷，20世紀(jì)90年代末，他們就已布局光學(xué)級(jí)碳化硅陶瓷材料研究。

“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。國(guó)家需求很大，我們沒(méi)有退路，必須把這條路走通?！睆垖W(xué)軍說(shuō)。

張學(xué)軍表示，大口徑高精度非球面光學(xué)反射鏡是高分辨率空間對(duì)地觀測(cè)、深空探測(cè)和天文觀測(cè)系統(tǒng)的核心元件和支撐技術(shù)。驗(yàn)收專家組在驗(yàn)收意見(jiàn)中指出，4米口徑碳化硅反射鏡工程產(chǎn)品“為空間大口徑光學(xué)系統(tǒng)的研制解決了核心技術(shù)難題”。

“以前國(guó)外不賣(mài)給我們，我們干著急，現(xiàn)在他們反而提出要跟我們合作，這是跨越式發(fā)展的成果?！苯獣?huì)林說(shuō)，“長(zhǎng)春光機(jī)所做出了國(guó)際最高水平的反射鏡，以后我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域就能完成從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越?！?/p>

據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹，基于該項(xiàng)目成果研制完成的1.5米量級(jí)碳化硅非球面反射鏡已成功應(yīng)用于我國(guó)高分有效載荷，2米量級(jí)反射鏡應(yīng)用于國(guó)家大型光電系統(tǒng)項(xiàng)目，4米量級(jí)反射鏡也即將應(yīng)用于國(guó)家重大工程項(xiàng)目。項(xiàng)目成果還將持續(xù)應(yīng)用于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“靜止軌道高分辨率輕型成像相機(jī)系統(tǒng)技術(shù)”等一系列國(guó)家重大項(xiàng)目。

姜會(huì)林也在排隊(duì)等著用4米口徑的“大鏡子”。他說(shuō)：“我們做空間探測(cè)希望能看見(jiàn)厘米級(jí)空間碎片，需要用到大口徑反射鏡。很多人找我打聽(tīng)何時(shí)能用上長(zhǎng)春光機(jī)所的鏡子。希望技術(shù)成熟后能加速這個(gè)過(guò)程?！保〒?jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》)