多年來，對(duì)于大口徑望遠(yuǎn)鏡核心關(guān)鍵部件——大口徑反射鏡的研制，一直成為各國競爭的焦點(diǎn)。中國科學(xué)院長春光機(jī)所光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造中心的實(shí)驗(yàn)室，如今已全面掌握大口徑反射鏡制造的核心技術(shù)，為中國空間探測與開發(fā)起到重要推動(dòng)作用。中央電視臺(tái)系列報(bào)道《走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室看新質(zhì)生產(chǎn)力》，近日走進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，看中國“千里眼”的最大“眼角膜”是如何制造而成的。
央視總臺(tái)記者李琳介紹，如果把光學(xué)望遠(yuǎn)鏡比作人類的“千里眼”，那么光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的主反射鏡就可以稱之為“眼角膜”。主反射鏡的口徑越大就意味著光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率就會(huì)越高。通俗的說就是會(huì)看得更加清楚。現(xiàn)在，在全球的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，主反射鏡采用碳化硅材料、口徑最大的那一塊就誕生于中國科學(xué)院長春光機(jī)所的實(shí)驗(yàn)室里。
您現(xiàn)在看到的這面巨型碳化硅反射鏡，口徑達(dá)到了4.03米。假設(shè)將這面反射鏡安裝到空間相機(jī)上，即便是在幾百公里外的高空，也能清晰地捕捉到地面上汽車的輪廓，甚至是汽車的天窗、后視鏡等細(xì)節(jié)。
大口徑光學(xué)反射鏡是高分辨率空間對(duì)地觀測、深空探測和天文觀測系統(tǒng)的核心元件，它的制造技術(shù)水平是衡量一個(gè)國家高性能光學(xué)系統(tǒng)研制水平的重要標(biāo)志。光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就長期致力于大口徑光學(xué)反射鏡的研制工作。
光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）副主任、中國科學(xué)院長春光機(jī)所研究員張舸介紹，碳化硅相對(duì)于傳統(tǒng)材料來說，它的比剛度是它們的4倍以上，所以在相同的變形情況下，它的重量只有傳統(tǒng)材料的四分之一。另外它的導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)材料的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此大大降低了它的溫控難度。
不過，碳化硅雖然性能優(yōu)良，但它屬于陶瓷材料，硬度高，口徑一旦增大，在制坯的過程中很容易出現(xiàn)裂紋甚至破碎。
央視總臺(tái)記者李琳介紹，在長春光機(jī)所的花園里，現(xiàn)在還擺放著一面曾經(jīng)的大口徑反射鏡的實(shí)驗(yàn)鏡。仔細(xì)看，在它上面有幾條頭發(fā)絲般粗細(xì)大小的裂紋，這些裂紋見證著科研團(tuán)隊(duì)一次又一次的實(shí)驗(yàn)過程。
鏡坯制備是制造碳化硅反射鏡的關(guān)鍵一步，要將微米級(jí)的碳化硅粉末變成鏡坯，科研團(tuán)隊(duì)是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）副主任、中國科學(xué)院長春光機(jī)所研究員張舸介紹，這種工藝就像家里做豆腐一樣，先把碳化硅粉放到水中，形成水基漿料，然后像做豆腐點(diǎn)鹵一樣，最后加入各種化學(xué)試劑，這種流動(dòng)的漿料形成膠態(tài)，從而成型，滿足不同場景以及不同設(shè)計(jì)需求的輕量化結(jié)構(gòu)。
有了鏡坯，要成為真正的反射鏡，還需要經(jīng)過光學(xué)加工、改性和鍍膜等多個(gè)程序。而為了保證光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率和成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)反射鏡的面形精度有著苛刻的要求。對(duì)于大口徑反射鏡來說，對(duì)面形精度的要求更是達(dá)到了極致。
目前，光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院）副主任、中國科學(xué)院長春光機(jī)所研究員張舸介紹，比如4米口徑反射鏡的制造，它的精度要求達(dá)到了15個(gè)納米。如果我們?cè)谝粔K小量級(jí)口徑上面去制作，相對(duì)比較容易，但是對(duì)于4米這樣大量級(jí)口徑來說，它的難度相當(dāng)?shù)拇?。就好比在北?環(huán)內(nèi)去平整地面，它高低起伏不能超過一個(gè)毫米。
經(jīng)過20多年的潛心研究，實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)突破了大口徑碳化硅反射鏡制造的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大口徑碳化硅反射鏡的全鏈路制造。目前，光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的大口徑碳化硅反射鏡已應(yīng)用于多項(xiàng)國家重大工程任務(wù)。
