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4米碳化硅反射镜落成 中国航天器的“瞳孔”将是全球最大

2018-08-22 16:57:40

【观察者网 综合报道】

大口径光学反射镜是高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测系统的核心元件,其制造技术水平是衡量一个国家高性能光学系统研制水平的重要标志,对国防安全、国民经济建设、基础科研能力和减灾具有重要意义。

新华社8月21日报道,探索9年、经18个月加工“打磨”,一块直径4米、重达1.6吨的“大镜子”当天在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称“长春光机所”)通过项目验收。这是国家重大科研装备研制项目“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”的最新成果。

这不仅标志着我国光学系统先进制造能力达到国际先进水平,也为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。

最大单体碳化硅反射镜

据了解,长春光机所于今年7月完成了4.03米大口径碳化硅反射镜研制,它也是目前为止世界上口径最大的单体碳化硅反射镜。

站在4米碳化硅反射镜旁边,顿时感觉自己很渺小。反射镜像一个巨大的圆环形圆盘,镜面在灯光的照射下闪闪发亮。

据介绍,现代大口径光学系统均采用反射式结构,其中主镜口径直接决定了系统的分辨能力。也就是说,反射镜口径越大,望远镜越能看得更远更清晰,在对地观测、深空探测和天文观测方面都有重要的意义。如果把这只“瞳孔”装到望远镜里,将极大的提升望远镜的分辨率。

《文汇报》称,未来地面上,将会悬起一面面中国制造的4米碳化硅巨镜,它们将肩负起采集百亿光年外的宇宙信号、监测近地空间每块微小碎片的重任。

不过,反射镜口径越大,光学材料和光学加工的难度也呈几何级上升:当口径超过一定量级时,会对光学材料和光学加工均带来巨大的挑战。

微信公号“中国科普博览”刊文称,为了保证望远镜的分辨率和成像质量,光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求。对于大口径光学系统而言,这种精度要求不会随着口径的增大而降低。以可见光波段观测的为例,面型精度要求至少在三十分之一以上波长(λ/30,RMS值优于20nm),这就好比将4米反射镜放大到北京市大小,进行土地平整,土地平整度要小于1毫米。如此高的面形精度,对于反射镜镜坯材料和光学加工技术都提出了苛刻要求。

3步 “炼”就4米的“大眼睛”

微信公号“科学大院”刊文称,大口径光学反射镜的制造难度主要集中在反射镜镜坯制造、反射镜光学加工等制造工艺环节。

制造碳化硅反射镜的第一步,就是将碳化硅粉末烧制成整体的反射镜镜坯。4米碳化硅反射镜绝不仅仅是看着美丽,要想能够实际工程化应用,必须达到并保持极高面形精度(RMS值优于20nm),而这种高精度面形的保持正是依赖于反射镜“强健的筋骨”——碳化硅陶瓷镜坯。

国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍,以及碳纤维/碳化硅复合材料等。与其他材料相比,碳化硅具有更大的比刚度(E/ρ)和热稳定性(λ/α),这意味着实现同样的光学口径和精度要求时,碳化硅反射镜具有更小的重量和更优的热稳定性,因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者。

不同反射镜材料的性能对比

尽管碳化硅的面密度已经足够小,但对反射镜的“瘦身”还远未完成。目前世界上大多数的反射镜由于制备技术限制,均采用开放式的轻量化结构,但与它们不同,长春光机所采用类似“果冻”制品的成型方式。通过一次注模实现具有背部半封闭轻量化结构的镜坯成型,这既避免了实现轻量化结构的复杂机械加工过程,又进一步压低反射镜的质量、提高反射镜的结构刚度。

成型后的反射镜镜坯经过两次烧结后,“大镜子”的一身“钢筋铁骨”就练好了。

“中国科普博览”指出,我国始终不具备自主制造4米量级大口径反射镜能力,中科院长春光机所历经10余年攻关,于2016年研制出自主知识产权、4.03米碳化硅反射镜坯。

制造碳化硅反射镜的第二步,是要从镜坯转变为反射镜。这就需要靠光学加工、改性和镀膜。

据了解,碳化硅材料硬度极高,常见材料中仅次于金刚石,其磨削抛光至纳米表面精度难度极大,因此需要通过采用“应力盘”抛光、磁流变抛光等组合加工技术来实现非球面的制造精度、提升加工效率。

反射镜加工流程

加工工序十分复杂:原始的镜坯背面被安装上高精度的结构件;正面被加工成非球面面形,在整个4米口径范围内面形精度在20nmRMS以内;并且需要通过改性、镀膜等工艺,改善表面缺陷、提高镜面反射率。同时采用摆臂轮廓仪检测、光学零位补偿干涉测量等先进检测技术,实现对4米反射镜的原位检测。

应力盘抛光

磁流变抛光

制造碳化硅反射镜的第三步,实现对反射镜的高精度检测。

与加工技术同等重要的是反射镜检测技术,这也直接决定着最终加工精度。超大口径光学元件检测,由于检测光路长,受重力、检测环境干扰严重,需要通过复杂、精密的检测环境控制措施才能实现高精度检测。为此,长春光机所专门建立了28米高的多功能检测塔,用于完成大口径反射镜检测工作。

多功能检测塔

碳化硅镜坯完成粗抛光之后,由于陶瓷材料表面的细小缺陷,反射镜表面产生散射,从而降低了光学性能。通过在碳化硅反射镜表面镀制和反射镜基底结构相近硅材料,使表面缺陷得到改善;然后在改性层基础上进行精抛光,这种方式可以大幅改善光线在反射镜表面的散射。最终可以使反射镜的反射率达到95%以上。

在镜面材料缺陷改性方面,采用等离子辅助低温物理气相沉积(PIAD)方法,在碳化硅反射镜表面镀制Si改性层,然后进行面形精加工后,最终在4米反射镜表面镀制反射增强膜,使其反射率最终达到光学系统要求。

科研人员在做镀膜前准备工作

至此,碳化硅粉末终于变成了高刚度、高面形精度的4米反射镜。

与加工工艺同等重要的,还有4米反射镜制造所需全套制造装备的研发。围绕反射镜研制流程,项目完成了三个子系统、十余套加工检测设备研制,全部自主掌握知识产权。其中4米量级反应烧结炉、FSGJ-4型非球面数控光学加工中心、4米量级大型磁控溅射镀膜机三套核心装备达到国内领先水平。

其中,4米量级大型磁控溅射镀膜机高精度大口径离轴非球面反射镜的制造技术是高性能光学系统的核心关键技术,也是促进高分辨率空间对地观测、深空探测和天文观测等领域发展的支撑技术。

技术过硬 全球先进

大口径高质量的主反射镜是建设太空望远镜的技术突破口。观察者网专栏作家、加州大学洛杉矶分校物理系研究员徐令予曾刊文指出,目前各国使用的反射镜材料主要就是:超低膨胀系数石英玻璃(ULE),铍(Be)和碳化硅。其中,碳化硅是反射镜材料的上佳选择。

此前世界最大尺寸的碳化硅反射镜直径为3.5米,它是法国为欧洲“赫歇尔”红外望远镜制造的主反射镜。

另一个使用反射镜的设备是大名鼎鼎的美国哈勃太空望远镜,它的直径为2.4米。众所周知,哈勃望远镜在太空的观测几乎刷新了人类对于宇宙的认识。而用这种镜片对地观测,效果相当不一般,分辨率达到了零点一米级。

据介绍,美侦察卫星“锁眼-11”的主镜面起初就与哈勃望远镜的主镜面几乎一致,后期的越来越大,最后的镜片型号约为3米直径左右,拥有更好的图像采集能力。同一系列的“锁眼-12”也与哈勃望远镜采用一样的方式成像,精度更高,分辨率达到0.1米。外界评价,夸张点说,美军在查看这些卫星图片的时候,能通过数人头的方式知道一只行进中的军队的人数。

观察者网此前报道,简氏防务周刊曾于本月14日关注了中国最新发射的高分11号卫星。简氏认为高分11号这枚明确用于军事目的的卫星,可以达到美国“锁眼-12”号的分米级分辨率,可能能够实现10厘米或更小的地面图像分辨率,中美的侦察卫星差距正在消失。

此次长春光机所研制的反射镜直径达4米,其效果可想而知。

目前,美国、加拿大和欧洲22国正共同开发韦伯太空望远镜,这是一款红外线观测用太空望远镜。质量为6.2吨,约为哈勃空间望远镜(11吨)的一半。主反射镜由铍制成,口径达到6.5米,面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。

早在长春光机所研制出4米直径的碳化硅毛坯时,徐令予便撰文称,韦伯太空望远镜西方不带中国一起玩。长光所开发这块毛坯可能表达了这样一个态度:中国决定独自也要“玩玩”太空望远镜。“我估计这块4米直径的碳化硅主反射镜会用在太空中,4米直径装进长征五号升空应该没有问题。如果4米直径的碳化硅反射镜用在可见光波段,它的分辨率与韦伯很接近,这场太空竞争会有好戏可看。”

买不来的技术 只能靠自主研发

《中国科学院院刊》曾刊发“长春光机所”的文章称,4米量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统的成功研制,填补了多项国内空白,大幅提升了我国在高性能大型光学仪器的研制水平。该项目研究拉动了下游产业链的技术进步,对于提升我国大型光学材料制备、高精度重型机械制造设备、大型精密三坐标测量仪器、真空机械等相关产业的进步,起到了积极的推动作用。该项目的研究成果后续可以应用于空间对地观测、大型天文仪器等国家重大工程的研究,对我国的国防安全、基础科研、防灾减灾、公共安全、应急响应等领域具有重要战略意义。

长期以来,欧美国家将以微晶玻璃为原材料加工的大口径光学反射镜作为战略物资,其产品与生产设备和工艺全部对外禁运。

“核心技术买不来,一定要走自主研发的道路!”项目负责人、长春光机所副所长张学军说,为了实现更稳定的性能,长春光机所选择普遍不被国际同行看好的碳化硅为原材料。虽然碳化硅化学性能稳定、导热快、受热变形小,可比起微晶玻璃等其他原材料,它的加工难度更大——用它烧制的陶瓷,口径一旦增大,就容易断裂、破碎。

项目研发团队顶着巨大压力,历经整整八年技术攻关,先后突破消失模制作、凝胶注模成型、无应力反应连接等多项镜坯制备关键技术,建立了大口径碳化硅镜坯制造平台。在这个平台上,2米、2.4米、3米单体碳化硅镜坯,4米口径整体碳化硅镜坯相继研制成功。这标志着我国大口径碳化硅光学材料的生产加工已实现完全自主可控。

目前,由长春光机所研发的2米量级口径反射镜已在实际工程应用;2022年,在中国空间站的多功能光学设施上,将使用我们中国自主研制的大口径反射镜;在不远的将来,4米量级反射镜也将应用在我国新一代光电观测系统中。

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来源:观察者网综合 | 责任编辑:奕含
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