4.03米口径碳化硅反射镜，让宇宙更清晰

热门电影《漫游地球》引起了人们对宇宙中天体的关注，太空“着火了”。影片开始时，宇航员刘培强和他的儿子刘淇用100毫米望远镜清晰地观察了木星的四个卫星。

反射镜是高性能光学系统的核心。中国科学院长春光学研究所副所长张学军说:“如果把望远镜比作观察太空的‘眼睛’，那么镜子就是眼睛的‘透镜’。镜头越大，眼睛的空间分辨率越高，可以观察到更多天体的细节。”

2018年8月，中国科学院长春光机所完成了4.03米大直径碳化硅反射镜的研制和验收，这是世界上公开报道的最大直径碳化硅单体反射镜。因此，中国的光学系统制造能力已经达到国际先进水平，最终不再受人类控制。

曾经我们只能“近视”

自从伽利略在1609年发明天文望远镜以来，无论是从地面仰望星空，还是从太空俯视地球并放眼整个世界，望远镜的观测能力都离不开一把钥匙。

大型望远镜设备对反射镜口径的要求没有上限，上限取决于制造和加工能力。至于“强度”的口径，张学军引用了著名的哈勃太空望远镜，它的口径为2.4米，可以观察到宇宙的深度，最远距离地球134亿光年。先进的光电望远镜直径为3.67米，成功地观察到了哥伦比亚号事故的症结所在。

20世纪90年代初，我国一直依赖进口材料制造直径小于1米的空间反射镜。那时，载人航天刚刚开始，急需大口径的镜子。张学军回忆道:“当时，欧洲和美国没有出售它，最终从俄国进口了一个0.6米直径的反射镜。”

这也是我们的瓶颈问题——在技术*下，我国只能使用直径小于1米的“小镜子”。“我们还试图从欧美国家购买大口径光学镜，但他们以‘战略物资’为由拒绝了。”张学军透露道。

发展大口径碳化硅光学制造技术刻不容缓。

“国家需要很多，我们没有退路，我们必须走这条路。正是西方国家的技术壁垒和*增强了我们独立创新的决心。核心技术是买不到的，我们必须走自主研发之路！”张学军说。

四个失败的镜子空白

如果你买不到它，你必须使用它。长春光学机械研究所*走上自主创新之路。

为了解决这一技术瓶颈，长春光学研究所选择了不同于其他国家的技术路线——碳化硅作为反射镜的材料。碳化硅是制造镜子的理想材料。它的比刚度是玻璃的4倍。在相同厚度下，其抗变形能力是玻璃的4倍。"但是它的制备极其困难，因此不受国际同行的青睐."张学军坦率地说。

2009年底，长春光机所正式启动“4米级高精度碳化硅非球面镜集成制造系统”项目，开始自主开发大口径高精度非球面镜制造系统。

4米长的碳化硅反射镜不仅令人眼花缭乱，而且如果要在实践中应用，还取决于碳化硅陶瓷反射镜毛坯。因此，制造碳化硅反射镜的第一个困难是将碳化硅粉末烧成完整的反射镜毛坯。张学军说:“用碳化硅烧制的陶瓷一旦口径增大，很容易产生内部缺陷并导致开裂。一度被认为不可能突破的口径极限是1.5米。”

没有经验，第一面镜子毫无疑问是失败的。在张学军能够看到整个画面之前，这个团队已经把它分解了，并用分解的粒子来研究失败的原因。张学军说:“在数百个过程步骤中，每一个小错误都可能导致研究的失败。”

在巨大的压力下，项目组对工艺进行了反复的尝试、探索和验证，先后突破了制备镜坯的一系列关键技术，如消失模制造、凝胶注射成型、无应力反应连接等。2米、2.4米和3米单体碳化硅镜坯已研制成功。

历经四次失败，拥有自主知识产权的403万立方米碳化硅镜面毛坯终于在2016年发布。“一次烧结需要五到六个月，加上前期准备，整个过程需要一年，五次就是五年。这是一个漫长的过程。”

从“卡片机”到“单反”

镜面毛坯制造后，以下是一个长的加工流程。为了保证成像质量，光学系统对反射镜的表面精度有严格的要求:优于20纳米张学军做了一个类比，就像在北京平整土地，要求平整度误差小于1毫米。

随着成功而来的是以下难题:碳化硅的硬度仅次于金刚石，要将其研磨和抛光到纳米表面精度是极其困难的。从反射镜毛坯到反射镜的改变需要光学处理、修改和涂层。中国现有的光学加工设备不仅不能满足要求，而且也没有可以在国际上进口的设备。

我该怎么办？自己动手吧！

张学军介绍说，长春光学研究所开发了一种适合高精度制造大口径碳化硅的非球面数控加工中心。它采用应力盘抛光和磁流变抛光等组合加工技术，在反射镜表面镀一层类似碳化硅的硅改性层，然后在此基础上进行精细抛光，实现非球面加工精度，提高加工效率，实现加工和检测技术的自主控制。张学军说:“反射面涂层的反射率在95%以上，整体指标符合望远镜系统的要求。这相当于在太空探索中拍摄的照片的质量。“卡片机”已经升级为带有高质量成像镜头的单反相机。”

迄今为止，碳化硅粉末终于成为一面直径4.03米、重量1.6吨、高刚性和高表面精度的“大镜子”。

“只掌握4m反射镜的制造技术并不等于掌握独立的核心技术。”张学军表示，围绕大口径反射镜的制造过程，同时开发了一整套完全自主知识产权的加工测试设备，制造大口径反射镜的核心技术全部掌握在自己手中。