電影《流浪地球》熱映，帶動了大家對宇宙天體的關(guān)注，太空“火了”。在影片開頭，航天員劉培強帶著兒子劉啟，一起用100mm口徑的天文望遠鏡觀測，木星的四顆衛(wèi)星清晰可辨。

反射鏡是高性能光學系統(tǒng)的核心。中科院長春光機所副所長張學軍介紹說：“如果把望遠鏡比作觀測太空的‘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，能夠觀測到天體更多的細節(jié)。”

2018年8月，中科院長春光機所完成4.03米大口徑碳化硅反射鏡研制并通過驗收，這是公開報道過的世界上最大口徑碳化硅單體反射鏡。由此，我國光學系統(tǒng)制造能力躋身國際先進水平，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，想要使望遠鏡的觀測能力不斷提升，都離不開一個關(guān)鍵——口徑。

大望遠鏡裝備對反射鏡口徑的需求沒有上限，其上限取決于制造加工能力。對于口徑的“實力”，張學軍舉例，大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡口徑是2.4米，最遠可以觀測到距離地球134億光年的宇宙深處;先進光電望遠鏡口徑3.67米，成功觀測到美國哥倫比亞號航天飛機事故的癥結(jié)所在。

20世紀90年代初，我國1米以下口徑空間反射鏡材料一直依賴進口，那時載人航天剛剛起步，急需大口徑反射鏡。張學軍回憶道：“當時歐美都不賣，最后從俄羅斯進口了0.6米直徑的反射鏡。”

這也是一直卡住我們脖子的問題——在技術(shù)封鎖下，我國只能使用直徑1米以下的“小鏡子”。“我們也曾嘗試向歐美國家購買大口徑光學反射鏡，不過被他們以‘戰(zhàn)略物資’為由拒絕了。”張學軍透露。

發(fā)展大口徑碳化硅光學制造技術(shù)迫在眉睫。

“國家需求很大，我們沒有退路，必須把這條路走通。正是西方國家的技術(shù)壁壘和封鎖堅定了我們自主創(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!”張學軍說。

四砸失敗鏡坯

買不到又必須用，把長春光機所逼上了自主創(chuàng)新這條路。

為了解決技術(shù)瓶頸，長春光機所選擇了一條與國外不同的技術(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4倍。“但其制備難度極高，所以并不被國際同行看好。”張學軍坦言。

2009年底，長春光機所正式啟動“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項目，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難題，就是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。張學軍說：“用碳化硅燒制的陶瓷，口徑一旦增大，就容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷而導致開裂，一度被認為無法突破的口徑極限是1.5米。”

由于沒有經(jīng)驗，第一塊鏡坯毫無疑問地失敗了。還沒等張學軍看見全貌，團隊已經(jīng)將其敲碎，用破碎的顆粒研究失敗原因，張學軍說：“在數(shù)百個工藝環(huán)節(jié)中，每一個細小的失誤都有可能導致研制失敗。”

項目團隊頂著巨大壓力，反復試驗探索與工藝驗證，先后突破了消失模制作、凝膠注模成型、無應力反應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，具有自主知識產(chǎn)權(quán)、4.03米碳化硅反射鏡坯終于新鮮出爐了。“一次燒結(jié)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。”

由“卡片機”變“單反”

鏡坯制造完成后，接下來就是漫長的加工流程。“為了保證成像質(zhì)量，光學系統(tǒng)對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求：優(yōu)于20納米。”張學軍打了個比方，這就像對北京市的土地進行平整，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，需要靠光學加工、改性和鍍膜，不僅國內(nèi)現(xiàn)有的光學加工設備無法滿足要求，國際上也沒有可引進的此類裝備。

怎么辦?自己干!

張學軍介紹，長春光機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，在此基礎上進行精拋光，來達到非球面的制造精度、提升加工效率，實現(xiàn)了加工與檢測技術(shù)自主可控。張學軍說：“反射面鍍膜的反射率達到95%以上，整體指標達到望遠系統(tǒng)的要求，這相當于太空探測拍攝的圖片質(zhì)量，由‘卡片機’升級到加了一個高質(zhì)量成像鏡頭的‘單反相機’。”

至此，碳化硅粉末終于變成了直徑4.03米、重達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)。”張學軍說，圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線，一整套完整的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的加工、檢測裝備也同步開發(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。(馬維維 周立勛)