中國國家重大科研裝備研制項目“4m量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”21日在長春通過驗收。
綜合中新社、央廣網(wǎng)報道，中科院長春光機(jī)所研制的直徑4.03米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡，是目前世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。它標(biāo)志著中國光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造能力達(dá)到了國際先進(jìn)水平；同時為中國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎(chǔ)。其核心制造設(shè)備以及制造工藝具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
直徑4.03米的碳化硅反射鏡像一個巨大的圓盤，在燈光的照射下閃閃發(fā)光。如果把這只“大眼睛”裝到望遠(yuǎn)鏡里，將極大提升望遠(yuǎn)鏡的分辨率。這種大口徑高精度非球面光學(xué)反射鏡，是高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測系統(tǒng)的核心元件。其制造技術(shù)水平，對國家的國防安全、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、基礎(chǔ)科研能力具有重要意義，也是衡量一個國家高性能光學(xué)系統(tǒng)的研制水平的重要標(biāo)志。
那么這只美麗的大眼睛是怎樣煉成的呢？
大口徑光學(xué)反射鏡的制造難度，主要集中在反射鏡鏡坯制造、反射鏡光學(xué)加工等制造工藝環(huán)節(jié)。從碳化硅粉末，到最終變成高剛度、高面形精度的4米反射鏡。
制造碳化硅反射鏡第一步，是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著美麗，要想實現(xiàn)工程化應(yīng)用，必須達(dá)到并保持極高面形精度。它依賴于反射鏡“強(qiáng)健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。
目前，國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹，以及碳纖維/碳化硅復(fù)合材料等。相比其他材料，碳化硅具有更大的比剛度和熱穩(wěn)定性。這使得在實現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡更輕、熱穩(wěn)定性更優(yōu)。
盡管碳化硅的面密度已經(jīng)足夠小，但對反射鏡的“瘦身”還遠(yuǎn)未完成。目前世界上大多數(shù)反射鏡由于制備技術(shù)限制，均采用開放式的輕量化結(jié)構(gòu)。與它們不同，長春光機(jī)所采用類似“果凍”制品的成型方式，通過一次注模，實現(xiàn)具有背部半封閉輕量化結(jié)構(gòu)的鏡坯成型，既避免了實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜機(jī)械加工過程；又進(jìn)一步降低了反射鏡的質(zhì)量、提高了反射鏡的結(jié)構(gòu)剛度。
成型后的反射鏡鏡坯經(jīng)兩次燒結(jié)后，“大眼睛”的一身“鋼筋鐵骨”就練就好了。再經(jīng)過光學(xué)加工、改性和鍍膜等工藝，粗糙的陶瓷坯搖身一變，成為了一塊反射率達(dá)到95%以上的高精度反射鏡。
歷時15年探索攻關(guān)，9年立項研制最終成功
項目負(fù)責(zé)人、中科院長春光機(jī)所副所長張學(xué)軍研究員介紹說，碳化硅陶瓷材料則是國際光學(xué)界公認(rèn)的高穩(wěn)定性光學(xué)反射鏡材料，但歐美國家在大口徑碳化硅光學(xué)反射鏡制造技術(shù)方面長期處于壟斷地位，中國必須自主發(fā)展大口徑碳化硅光學(xué)制造技術(shù)。
長春光機(jī)所研究團(tuán)隊耗時十余年、經(jīng)歷數(shù)百次實驗探索與工藝驗證，先后突破了1米、2米口徑的碳化硅反射鏡鏡坯，最終研制出4米口徑碳化硅鏡坯。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、裝備也同步開發(fā)完成，使大口徑反射鏡制造的全部核心技術(shù)真正掌握自己手中。
早在2003年，中科院長春光機(jī)所就開始對大口徑碳化硅光學(xué)反射鏡制造技術(shù)進(jìn)行探索攻關(guān)，2009年底，面向國家對大型光學(xué)儀器的戰(zhàn)略需求，中央財政投入1.96億元人民幣的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系統(tǒng)”，正式在中科院長春光機(jī)所立項啟動。
項目啟動后，張學(xué)軍領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊通過多年持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，突破一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，先后完成碳化硅鏡坯制備、非球面加工檢測、碳化硅表面改性鍍膜的制造設(shè)備研制與制造工藝研究，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“4米量級高精度碳化硅非球面集成制造平臺”，并依托集成制造平臺完成4米量級高精度碳化硅非球面產(chǎn)品研制。
其中，在碳化硅材料制備技術(shù)方面，項目研發(fā)團(tuán)隊創(chuàng)建大口徑碳化硅鏡坯制造平臺，并先后研制成功可用于可見光成像的2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯，而此前國際上公認(rèn)1.5米是單體碳化硅反射鏡的極限口徑，從而實現(xiàn)中國大口徑碳化硅光學(xué)材料制備的自主可控。
在大口徑碳化硅非球面加工檢測技術(shù)方面，項目研發(fā)團(tuán)隊突破大口徑碳化硅非球面高精度高效加工技術(shù)瓶頸，并解決了高精度零位檢測精度標(biāo)定、調(diào)整誤差分離、投影畸變校正等關(guān)鍵問題，完成4米量級碳化硅非球面高精度加工，加工精度優(yōu)于16納米，全面實現(xiàn)4米量級碳化硅高精度加工與檢測技術(shù)自主可控。
在大口徑碳化硅改性鍍膜技術(shù)方面，項目研發(fā)團(tuán)隊在國際上首次研制成功碳化硅反射鏡改性與反射膜鍍制一體化設(shè)備，提升膜層質(zhì)量與可靠性，實現(xiàn)4米口徑碳化硅反射鏡表面高反射率薄膜鍍制，可見至長波紅外全譜段反射率優(yōu)于95%。
專家指出，中國通過研制成功“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”，形成具備自主知識產(chǎn)權(quán)的4米量級大口徑反射鏡研制能力，并陸續(xù)應(yīng)用于中國各類大型光電設(shè)備，將推動中國在大口徑光學(xué)反射鏡制造技術(shù)方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展，大幅提升中國高性能大型光學(xué)儀器研制水平。
張學(xué)軍表示，目前，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項目成果已獲得一系列重要應(yīng)用：2米量級碳化硅非球面反射鏡已應(yīng)用于國家大型光電系統(tǒng)項目；4米量級碳化硅非球面反射鏡即將應(yīng)用于國家重大工程項目。同時，項目成果將持續(xù)應(yīng)用于中國空間站多功能光學(xué)設(shè)施、國家重點研發(fā)計劃“靜止軌道高分辨率輕型成像相機(jī)系統(tǒng)技術(shù)”等一系列國家重大基礎(chǔ)研究和工程項目研制。
他透露，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項目研究成果還成功應(yīng)用于多項國家重大型號項目及背景預(yù)研項目中，并成功牽引出總經(jīng)費近50億元的多項國家重大型號項目。
中國國家重大科研裝備研制項目“4m量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”21日在長春通過驗收。
綜合中新社、央廣網(wǎng)報道，中科院長春光機(jī)所研制的直徑4.03米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡，是目前世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。它標(biāo)志著中國光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造能力達(dá)到了國際先進(jìn)水平；同時為中國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎(chǔ)。其核心制造設(shè)備以及制造工藝具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
直徑4.03米的碳化硅反射鏡像一個巨大的圓盤，在燈光的照射下閃閃發(fā)光。如果把這只“大眼睛”裝到望遠(yuǎn)鏡里，將極大提升望遠(yuǎn)鏡的分辨率。這種大口徑高精度非球面光學(xué)反射鏡，是高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測系統(tǒng)的核心元件。其制造技術(shù)水平，對國家的國防安全、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、基礎(chǔ)科研能力具有重要意義，也是衡量一個國家高性能光學(xué)系統(tǒng)的研制水平的重要標(biāo)志。
那么這只美麗的大眼睛是怎樣煉成的呢？
大口徑光學(xué)反射鏡的制造難度，主要集中在反射鏡鏡坯制造、反射鏡光學(xué)加工等制造工藝環(huán)節(jié)。從碳化硅粉末，到最終變成高剛度、高面形精度的4米反射鏡。
制造碳化硅反射鏡第一步，是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著美麗，要想實現(xiàn)工程化應(yīng)用，必須達(dá)到并保持極高面形精度。它依賴于反射鏡“強(qiáng)健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。
目前，國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹，以及碳纖維/碳化硅復(fù)合材料等。相比其他材料，碳化硅具有更大的比剛度和熱穩(wěn)定性。這使得在實現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡更輕、熱穩(wěn)定性更優(yōu)。
盡管碳化硅的面密度已經(jīng)足夠小，但對反射鏡的“瘦身”還遠(yuǎn)未完成。目前世界上大多數(shù)反射鏡由于制備技術(shù)限制，均采用開放式的輕量化結(jié)構(gòu)。與它們不同，長春光機(jī)所采用類似“果凍”制品的成型方式，通過一次注模，實現(xiàn)具有背部半封閉輕量化結(jié)構(gòu)的鏡坯成型，既避免了實現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜機(jī)械加工過程；又進(jìn)一步降低了反射鏡的質(zhì)量、提高了反射鏡的結(jié)構(gòu)剛度。
成型后的反射鏡鏡坯經(jīng)兩次燒結(jié)后，“大眼睛”的一身“鋼筋鐵骨”就練就好了。再經(jīng)過光學(xué)加工、改性和鍍膜等工藝，粗糙的陶瓷坯搖身一變，成為了一塊反射率達(dá)到95%以上的高精度反射鏡。
歷時15年探索攻關(guān)，9年立項研制最終成功
項目負(fù)責(zé)人、中科院長春光機(jī)所副所長張學(xué)軍研究員介紹說，碳化硅陶瓷材料則是國際光學(xué)界公認(rèn)的高穩(wěn)定性光學(xué)反射鏡材料，但歐美國家在大口徑碳化硅光學(xué)反射鏡制造技術(shù)方面長期處于壟斷地位，中國必須自主發(fā)展大口徑碳化硅光學(xué)制造技術(shù)。
長春光機(jī)所研究團(tuán)隊耗時十余年、經(jīng)歷數(shù)百次實驗探索與工藝驗證，先后突破了1米、2米口徑的碳化硅反射鏡鏡坯，最終研制出4米口徑碳化硅鏡坯。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、裝備也同步開發(fā)完成，使大口徑反射鏡制造的全部核心技術(shù)真正掌握自己手中。
早在2003年，中科院長春光機(jī)所就開始對大口徑碳化硅光學(xué)反射鏡制造技術(shù)進(jìn)行探索攻關(guān)，2009年底，面向國家對大型光學(xué)儀器的戰(zhàn)略需求，中央財政投入1.96億元人民幣的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系統(tǒng)”，正式在中科院長春光機(jī)所立項啟動。
項目啟動后，張學(xué)軍領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊通過多年持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，突破一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，先后完成碳化硅鏡坯制備、非球面加工檢測、碳化硅表面改性鍍膜的制造設(shè)備研制與制造工藝研究，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“4米量級高精度碳化硅非球面集成制造平臺”，并依托集成制造平臺完成4米量級高精度碳化硅非球面產(chǎn)品研制。
其中，在碳化硅材料制備技術(shù)方面，項目研發(fā)團(tuán)隊創(chuàng)建大口徑碳化硅鏡坯制造平臺，并先后研制成功可用于可見光成像的2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯，而此前國際上公認(rèn)1.5米是單體碳化硅反射鏡的極限口徑，從而實現(xiàn)中國大口徑碳化硅光學(xué)材料制備的自主可控。
在大口徑碳化硅非球面加工檢測技術(shù)方面，項目研發(fā)團(tuán)隊突破大口徑碳化硅非球面高精度高效加工技術(shù)瓶頸，并解決了高精度零位檢測精度標(biāo)定、調(diào)整誤差分離、投影畸變校正等關(guān)鍵問題，完成4米量級碳化硅非球面高精度加工，加工精度優(yōu)于16納米，全面實現(xiàn)4米量級碳化硅高精度加工與檢測技術(shù)自主可控。
在大口徑碳化硅改性鍍膜技術(shù)方面，項目研發(fā)團(tuán)隊在國際上首次研制成功碳化硅反射鏡改性與反射膜鍍制一體化設(shè)備，提升膜層質(zhì)量與可靠性，實現(xiàn)4米口徑碳化硅反射鏡表面高反射率薄膜鍍制，可見至長波紅外全譜段反射率優(yōu)于95%。
專家指出，中國通過研制成功“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”，形成具備自主知識產(chǎn)權(quán)的4米量級大口徑反射鏡研制能力，并陸續(xù)應(yīng)用于中國各類大型光電設(shè)備，將推動中國在大口徑光學(xué)反射鏡制造技術(shù)方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展，大幅提升中國高性能大型光學(xué)儀器研制水平。
張學(xué)軍表示，目前，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項目成果已獲得一系列重要應(yīng)用：2米量級碳化硅非球面反射鏡已應(yīng)用于國家大型光電系統(tǒng)項目；4米量級碳化硅非球面反射鏡即將應(yīng)用于國家重大工程項目。同時，項目成果將持續(xù)應(yīng)用于中國空間站多功能光學(xué)設(shè)施、國家重點研發(fā)計劃“靜止軌道高分辨率輕型成像相機(jī)系統(tǒng)技術(shù)”等一系列國家重大基礎(chǔ)研究和工程項目研制。
他透露，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”項目研究成果還成功應(yīng)用于多項國家重大型號項目及背景預(yù)研項目中，并成功牽引出總經(jīng)費近50億元的多項國家重大型號項目。
