4米碳化硅反射鏡落成 中國航天器的“瞳孔”將是全球最大

【觀察者網 綜合報道】

大口徑光學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的核心元件，其製造技術水平是衡量一個國家高性能光學系統研製水平的重要標誌，對國防安全、國民經濟建設、基礎科研能力和減災具有重要意義。

新華社8月21日報道，探索9年、經18個月加工“打磨”，一塊直徑4米、重達1.6噸的“大鏡子”當天在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱“長春光機所”）通過項目驗收。這是國家重大科研裝備研製項目“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成製造系統”的最新成果。

這不僅標誌着我國光學系統先進製造能力達到國際先進水平，也為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。

最大單體碳化硅反射鏡

據瞭解，長春光機所於今年7月完成了4.03米大口徑碳化硅反射鏡研製，它也是目前為止世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。

站在4米碳化硅反射鏡旁邊，頓時感覺自己很渺小。反射鏡像一個巨大的圓環形圓盤，鏡面在燈光的照射下閃閃發亮。

據介紹，現代大口徑光學系統均採用反射式結構，其中主鏡口徑直接決定了系統的分辨能力。也就是説，反射鏡口徑越大，望遠鏡越能看得更遠更清晰，在對地觀測、深空探測和天文觀測方面都有重要的意義。如果把這隻“瞳孔”裝到望遠鏡裏，將極大的提升望遠鏡的分辨率。

《文匯報》稱，未來地面上，將會懸起一面面中國製造的4米碳化硅巨鏡，它們將肩負起採集百億光年外的宇宙信號、監測近地空間每塊微小碎片的重任。

不過，反射鏡口徑越大，光學材料和光學加工的難度也呈幾何級上升：當口徑超過一定量級時，會對光學材料和光學加工均帶來巨大的挑戰。

微信公號“中國科普博覽”刊文稱，為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量，光學系統對反射鏡的面型精度有着苛刻的要求。對於大口徑光學系統而言，這種精度要求不會隨着口徑的增大而降低。以可見光波段觀測的為例，面型精度要求至少在三十分之一以上波長（λ/30，RMS值優於20nm），這就好比將4米反射鏡放大到北京市大小，進行土地平整，土地平整度要小於1毫米。如此高的面形精度，對於反射鏡鏡坯材料和光學加工技術都提出了苛刻要求。

3步 “煉”就4米的“大眼睛”

微信公號“科學大院”刊文稱，大口徑光學反射鏡的製造難度主要集中在反射鏡鏡坯製造、反射鏡光學加工等製造工藝環節。

製造碳化硅反射鏡的第一步，就是將碳化硅粉末燒製成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看着美麗，要想能夠實際工程化應用，必須達到並保持極高面形精度（RMS值優於20nm），而這種高精度面形的保持正是依賴於反射鏡“強健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。

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/碳化硅複合材料等。與其他材料相比，碳化硅具有更大的比剛度（E/ρ）和熱穩定性(λ/α)，這意味着實現同樣的光學口徑和精度要求時，碳化硅反射鏡具有更小的重量和更優的熱穩定性，因此碳化硅也成為大口徑反射鏡鏡坯材料中的佼佼者。

不同反射鏡材料的性能對比

儘管碳化硅的面密度已經足夠小，但對反射鏡的“瘦身”還遠未完成。目前世界上大多數的反射鏡由於製備技術限制，均採用開放式的輕量化結構，但與它們不同，長春光機所採用類似“果凍”製品的成型方式。通過一次注模實現具有背部半封閉輕量化結構的鏡坯成型，這既避免了實現輕量化結構的複雜機械加工過程，又進一步壓低反射鏡的質量、提高反射鏡的結構剛度。

成型後的反射鏡鏡坯經過兩次燒結後，“大鏡子”的一身“鋼筋鐵骨”就練好了。

“中國科普博覽”指出，我國始終不具備自主製造4米量級大口徑反射鏡能力，中科院長春光機所歷經10餘年攻關，於2016年研製出自主知識產權、4.03米碳化硅反射鏡坯。

製造碳化硅反射鏡的第二步，是要從鏡坯轉變為反射鏡。這就需要靠光學加工、改性和鍍膜。

據瞭解，碳化硅材料硬度極高，常見材料中僅次於金剛石，其磨削拋光至納米表面精度難度極大，因此需要通過採用“應力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術來實現非球面的製造精度、提升加工效率。

反射鏡加工流程

加工工序十分複雜：原始的鏡坯背面被安裝上高精度的結構件；正面被加工成非球面面形，在整個4米口徑範圍內面形精度在20nmRMS以內；並且需要通過改性、鍍膜等工藝，改善表面缺陷、提高鏡面反射率。同時採用擺臂輪廓儀檢測、光學零位補償干涉測量等先進檢測技術，實現對4米反射鏡的原位檢測。

應力盤拋光

磁流變拋光

製造碳化硅反射鏡的第三步，實現對反射鏡的高精度檢測。

與加工技術同等重要的是反射鏡檢測技術，這也直接決定着最終加工精度。超大口徑光學元件檢測，由於檢測光路長，受重力、檢測環境干擾嚴重，需要通過複雜、精密的檢測環境控制措施才能實現高精度檢測。為此，長春光機所專門建立了28米高的多功能檢測塔，用於完成大口徑反射鏡檢測工作。

多功能檢測塔

碳化硅鏡坯完成粗拋光之後，由於陶瓷材料表面的細小缺陷，反射鏡表面產生散射，從而降低了光學性能。通過在碳化硅反射鏡表面鍍制和反射鏡基底結構相近硅材料，使表面缺陷得到改善；然後在改性層基礎上進行精拋光，這種方式可以大幅改善光線在反射鏡表面的散射。最終可以使反射鏡的反射率達到95%以上。

在鏡面材料缺陷改性方面，採用等離子輔助低温物理氣相沉積（PIAD）方法，在碳化硅反射鏡表面鍍制Si改性層，然後進行面形精加工後，最終在4米反射鏡表面鍍制反射增強膜，使其反射率最終達到光學系統要求。

科研人員在做鍍膜前準備工作

至此，碳化硅粉末終於變成了高剛度、高面形精度的4米反射鏡。

與加工工藝同等重要的，還有4米反射鏡製造所需全套製造裝備的研發。圍繞反射鏡研製流程，項目完成了三個子系統、十餘套加工檢測設備研製，全部自主掌握知識產權。其中4米量級反應燒結爐、FSGJ-4型非球面數控光學加工中心、4米量級大型磁控濺射鍍膜機三套核心裝備達到國內領先水平。

其中，4米量級大型磁控濺射鍍膜機高精度大口徑離軸非球面反射鏡的製造技術是高性能光學系統的核心關鍵技術，也是促進高分辨率空間對地觀測、深空探測和天文觀測等領域發展的支撐技術。

技術過硬 全球先進

大口徑高質量的主反射鏡是建設太空望遠鏡的技術突破口。觀察者網專欄作家、加州大學洛杉磯分校物理系研究員徐令予曾刊文指出，目前各國使用的反射鏡材料主要就是：超低膨脹係數石英玻璃（ULE)，鈹（Be）和碳化硅。其中，碳化硅是反射鏡材料的上佳選擇。

此前世界最大尺寸的碳化硅反射鏡直徑為3.5米，它是法國為歐洲“赫歇爾”紅外望遠鏡製造的主反射鏡。

另一個使用反射鏡的設備是大名鼎鼎的美國哈勃太空望遠鏡，它的直徑為2.4米。眾所周知，哈勃望遠鏡在太空的觀測幾乎刷新了人類對於宇宙的認識。而用這種鏡片對地觀測，效果相當不一般，分辨率達到了零點一米級。

據介紹，美偵察衞星“鎖眼-11”的主鏡面起初就與哈勃望遠鏡的主鏡面幾乎一致，後期的越來越大，最後的鏡片型號約為3米直徑左右，擁有更好的圖像採集能力。同一系列的“鎖眼-12”也與哈勃望遠鏡採用一樣的方式成像，精度更高，分辨率達到0.1米。外界評價，誇張點説，美軍在查看這些衞星圖片的時候，能通過數人頭的方式知道一隻行進中的軍隊的人數。

觀察者網此前報道，簡氏防務週刊曾於本月14日關注了中國最新發射的高分11號衞星。簡氏認為高分11號這枚明確用於軍事目的的衞星，可以達到美國“鎖眼-12”號的分米級分辨率，可能能夠實現10釐米或更小的地面圖像分辨率，中美的偵察衞星差距正在消失。

此次長春光機所研製的反射鏡直徑達4米，其效果可想而知。

目前，美國、加拿大和歐洲22國正共同開發韋伯太空望遠鏡，這是一款紅外線觀測用太空望遠鏡。質量為6.2噸，約為哈勃空間望遠鏡（11噸）的一半。主反射鏡由鈹製成，口徑達到6.5米，面積為哈勃太空望遠鏡的5倍以上。

早在長春光機所研製出4米直徑的碳化硅毛坯時，徐令予便撰文稱，韋伯太空望遠鏡西方不帶中國一起玩。長光所開發這塊毛坯可能表達了這樣一個態度：中國決定獨自也要“玩玩”太空望遠鏡。“我估計這塊4米直徑的碳化硅主反射鏡會用在太空中，4米直徑裝進長征五號升空應該沒有問題。如果4米直徑的碳化硅反射鏡用在可見光波段，它的分辨率與韋伯很接近，這場太空競爭會有好戲可看。”

買不來的技術 只能靠自主研發

《中國科學院院刊》曾刊發“長春光機所”的文章稱，4米量級高精度SiC非球面反射鏡集成製造系統的成功研製，填補了多項國內空白，大幅提升了我國在高性能大型光學儀器的研製水平。該項目研究拉動了下游產業鏈的技術進步，對於提升我國大型光學材料製備、高精度重型機械製造設備、大型精密三座標測量儀器、真空機械等相關產業的進步，起到了積極的推動作用。該項目的研究成果後續可以應用於空間對地觀測、大型天文儀器等國家重大工程的研究，對我國的國防安全、基礎科研、防災減災、公共安全、應急響應等領域具有重要戰略意義。

長期以來，歐美國家將以微晶玻璃為原材料加工的大口徑光學反射鏡作為戰略物資，其產品與生產設備和工藝全部對外禁運。

“核心技術買不來，一定要走自主研發的道路！”項目負責人、長春光機所副所長張學軍説，為了實現更穩定的性能，長春光機所選擇普遍不被國際同行看好的碳化硅為原材料。雖然碳化硅化學性能穩定、導熱快、受熱變形小，可比起微晶玻璃等其他原材料，它的加工難度更大——用它燒製的陶瓷，口徑一旦增大，就容易斷裂、破碎。

項目研發團隊頂着巨大壓力，歷經整整八年技術攻關，先後突破消失模製作、凝膠注模成型、無應力反應連接等多項鏡坯製備關鍵技術，建立了大口徑碳化硅鏡坯製造平台。在這個平台上，2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯，4米口徑整體碳化硅鏡坯相繼研製成功。這標誌着我國大口徑碳化硅光學材料的生產加工已實現完全自主可控。

目前，由長春光機所研發的2米量級口徑反射鏡已在實際工程應用；2022年，在中國空間站的多功能光學設施上，將使用我們中國自主研製的大口徑反射鏡；在不遠的將來，4米量級反射鏡也將應用在我國新一代光電觀測系統中。