給中國“千里眼”造最大“角膜”

中國神話故事中的能人異士“一目千里”，17世紀伽利略發(fā)明第一臺光學望遠鏡探尋宇宙的奧秘……千百年來，人類一直有追逐視覺極限的夢想。

如果把光學望遠鏡比作人類的“千里眼”，那么光學望遠鏡中的主反射鏡就是“角膜”。主反射鏡口徑越大，光學望遠鏡的空間分辨率越高。

把一塊1米口徑的反射鏡安裝到空間相機中，可以在幾百公里的高空看到地面上汽車的輪廓。如果把反射鏡口徑加大到4米，則可以清晰地看到汽車的天窗、后視鏡等。反射鏡口徑為2.4米的哈勃空間望遠鏡，可探測到134億光年外宇宙大爆炸時的宇宙信號。

全世界大大小小的光學望遠鏡的反射鏡中，采用碳化硅材質、口徑最大的那一塊來自中國。

長期以來，各國都將米級及以上口徑反射鏡作為戰(zhàn)略物資?！百I不到又必須用，把我們逼上了自主創(chuàng)新這條路。”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）所長張學軍說，這一“逼”竟讓他們制造出了全球最大口徑高精度碳化硅光學反射鏡。

1 下決心做“全球最大”

“原來碳化硅的性能竟比玻璃好這么多。”1996年，時任長春光機所奧普光學材料事業(yè)部主任趙文興在俄羅斯瓦維洛夫國家光學研究院訪問，看到碳化硅反射鏡的那一刻異常振奮，感到“身體中每個細胞都被調動了起來”。

大口徑反射鏡通常采用玻璃、碳化硅、金屬鈹制作，究竟哪個才是最優(yōu)選擇？20世紀70年代，美國、法國等率先實現(xiàn)了碳化硅反射鏡光學應用。其中，最具代表性的法國BOOSTEC公司，以制造的碳化硅反射鏡應用于蓋亞、赫歇爾、歐幾里德等望遠鏡而聞名。

長春光機所自建所以來一直研究玻璃反射鏡制造。趙文興此行所見的碳化硅反射鏡，其材料綜合性能遠優(yōu)于玻璃、金屬鈹?shù)?，顯然是更適合的材質。然而，碳化硅本身為陶瓷材料，再加上硬度高，僅次于已知最硬的金剛石，用其制造反射鏡難度很大。從俄羅斯回來，他馬上向所領導匯報了相關情況。

由于空間對地觀測的敏感性，我國一度只能從國外購買口徑1米以下的“小鏡子”?？蒲腥藛T希望早日實現(xiàn)大口徑反射鏡“中國制造”的愿望。

20世紀90年代，我國載人航天工程立項，急需大口徑離軸非球面反射鏡。當時國外斷言：“中國根本加工不出離軸非球面，即使加工出來也組裝不出離軸非球面光學系統(tǒng)?！绷魧W回國不久的張學軍與翁志成、余景池等老一輩科學家，頂住壓力開發(fā)了國內首臺光學數(shù)控加工機床，并掌握了離軸非球面制造技術，將其應用于反射鏡光學加工。

經過十余年艱苦攻關，2008年，長春光機所團隊研制出我國首套具有自主知識產權的0.7米量級碳化硅反射鏡。當時，世界上應用于可見光望遠鏡的碳化硅反射鏡最大口徑為1.5米量級，由BOOSTEC公司制造。“我們最初的思路是做到米級，先解決有無的問題，并沒想做全球最大?！睆垖W軍說。

然而，國家的重大需求讓科研人員來不及多想。2009年9月，國家重大科研裝備研制項目啟動，張學軍和時任長春光機所光學中心主任高勁松、副主任鄭立功把大家召集到一起，宣布將研發(fā)4米碳化硅反射鏡。

“什么？4米！”所有人都明白，這是碳化硅反射鏡口徑的全球之最。

但現(xiàn)實問題是，在國內外相關技術、裝備、經驗基本為零的情況下，把4米碳化硅反射鏡做出來，不僅要突破鏡坯制備、光學加工與檢測、改性與鍍膜等關鍵技術，還要自主設計研發(fā)全鏈路集成制造系統(tǒng)，沒有人敢拍胸脯說“一定能成功”。

“我們要發(fā)揚老一輩科學家‘敢打敢拼，沒有條件也要創(chuàng)造條件干’的精神，啃下這塊國際上還沒人啃下的‘硬骨頭’。”最后，高勁松、鄭立功帶頭表態(tài)，鼓勵大家大膽假設、充分論證，形成了4米碳化硅反射鏡全鏈路制造系統(tǒng)的技術方案。

2 一塊比一塊做得更好

2012年，第一塊4米碳化硅反射鏡坯剛出爐，還沒來得及讓張學軍看一眼，就被趙文興下令砸了。望著有較大裂紋且炸裂的鏡坯，趙文興迫不及待地想弄清楚問題究竟出在哪兒。

5個小伙子整整砸了一天半，揚起的粉塵彌漫了整個實驗室，終于把出現(xiàn)裂紋的具體位置找了出來。

鏡坯制備是制造碳化硅反射鏡的第一步。把微米級的碳化硅粉末變成鏡坯，是怎樣實現(xiàn)的？為什么要把燒壞的鏡坯砸了？趙文興提出了用凝膠注模成型結合反應燒結的技術路線。成型過程就像做“果凍”，先把碳化硅粉末通過凝膠注模成型，做成想要的形狀，再通過一系列工藝排出“果凍”中的水分，并將“果凍”中的有機物變成碳，形成具有毛細微孔的多孔塊體。

最后把多孔塊體與硅放到一起反應燒結，形成致密的碳化硅反射鏡坯。此時的鏡坯是黑乎乎的一塊，大家給它起了一個綽號——“出土文物”?！胺磻獰Y中工藝參數(shù)的選擇、控制，類似于‘蒸饅頭’需控制蒸制時間、火候、氣氛等，這對鏡坯燒結的成敗有很大影響。”長春光機所光學中心主任張舸說。

砸了第一塊鏡坯，趙文興根據(jù)裂紋出現(xiàn)的位置，通過模擬計算，優(yōu)化了鏡坯反應燒結工藝參數(shù)，為4米碳化硅反射鏡坯的成功制備奠定了基礎。

2010年至2016年，團隊一共開展了5次4米碳化硅反射鏡坯制備試驗。第一塊、第二塊鏡坯裂紋寬度都在10毫米以上，第三塊、第四塊鏡坯裂紋逐漸縮小。直到2016年第五次試驗，鏡坯才研制成功。

在長春光機所的花園里，至今還留有2015年研制的第四塊碳化硅反射鏡坯。它呈圓餅形，直徑4.03米，中間留有一孔，整體仿佛一只圓溜溜的眼睛，在陽光照耀下閃動著灰藍色的光。它已經成為長春光機所一處地標性景觀。鏡面有幾條頭發(fā)絲粗細的裂紋，但鏡前婆娑的樹影依然能纖毫畢見地映照其中。

雖然4米碳化硅反射鏡坯制備試驗只有5次，但其間1米、2米、2.5米、3米鏡坯制備試驗，他們做了若干次。失敗的次數(shù)遠比成功多，特別磨人。試驗不順利時，趙文興總會搖著頭躲進屋里，一會兒寫一張字條遞出來，讓大家完善試驗方案；再過一會兒，他可能又興致勃勃地跑出來，找人一起總結、討論。

在張舸看來，趙文興雖然五十幾歲了，“勁頭卻像小伙子”。有一次，趙文興在所里一邊騎自行車一邊思考科研問題，被一輛小汽車蹭到。其實，小汽車司機已按喇叭提醒他了，他因為過于專注愣是沒聽見。

3 加工到極致平整

加工一面普通鏡子，尚且要做到平整，對于反射鏡而言，這一要求更是達到了極致——4米碳化硅反射鏡的面形精度甚至不能超過20納米。“如果等比放大，相當于把北京五環(huán)內的地面平整到高低差小于1毫米?！睆垖W軍說。

這么苛刻的要求，他們是怎么達到的？

2011年，長春光機所接到2米碳化硅反射鏡的加工任務。當時的成熟技術是小磨頭加工，但做不到“指哪兒打哪兒”。張學軍提議，將提前布局的磁流變技術投入應用。

磁流變具有拋光精度高、材料去除確定性高等優(yōu)點，可實現(xiàn)近零亞表面損傷和納米級精度拋光。美國QED公司掌握了磁流變的核心技術，但公開報道中最大只做到1.8米反射鏡。之后，再無任何更大口徑的反射鏡論文發(fā)表。

能否采用磁流變技術超越國外的拋光水平，團隊一開始心里沒底。他們做好兩手準備，一方面向國外訂購2米反射鏡，另一方面積極自主研發(fā)?？墒清X已付給了國外廠商，對方也完成了加工，臨交貨卻以“許可證過期”為由拒絕供貨。

“背水一戰(zhàn)”的局面，激發(fā)了科研人員的最大斗志。團隊成員劉振宇、李龍響、李英杰等不分晝夜地刻苦攻關，終于將2米碳化硅反射鏡打磨成功。這是世界上首次將磁流變技術投入到大口徑反射鏡的工程應用中。

后來，2米碳化硅反射鏡制造技術應用在巡天空間望遠鏡上。這臺望遠鏡是未來十年國際上最重要的空間天文觀測儀器之一，被稱為“中國哈勃”。

還沒等大家松一口氣，打磨4米碳化硅反射鏡的任務又來了。這時，精度和效率的矛盾凸顯出來：采用同樣的工序，加工2米反射鏡需要8個月，而加工4米反射鏡則需要64個月，很難做到又快又好。

李龍響介紹，磁流變拋光技術中的拋光輪是一個碩大的輪子，重達上百公斤。它在離鏡面不到2毫米的空間作業(yè)，稍微控制不好就會觸碰鏡面形成裂紋，導致反射鏡報廢。即便一切順利，能否加工出精度合格的反射鏡也是未知數(shù)。

使用原有的小磨頭、應力盤等技術頂多是延長工期，可一旦磁流變技術失敗，就是反射鏡有無的問題。敢不敢冒這個險？大家躊躇不決。最后，還是張學軍拍板：“你們放心大膽去用磁流變，只要足夠細心，咱們肯定能夠成功?！?/p>

在長春光機所光學樓的4米加工實驗室，科研人員夜以繼日采用砂輪磨削、小磨頭、磁流變等技術，將4米碳化硅反射鏡的面形精度從毫米加工到納米。反射鏡最終的面形精度達到15.2納米，實現(xiàn)了國際領先。

4 讓“出土文物”明眸善睞

對于碳化硅反射鏡制造來說，改性能讓反射鏡表面更加平整，鍍膜則堪稱“點睛之筆”。只有鍍了膜，它才有神采，才能明眸善睞。

4米碳化硅反射鏡采用真空鍍膜工藝。國外的大口徑改性/鍍膜裝備幾乎都是圓形的，長春光機所的改性/鍍膜裝備卻是長方形的。這又是為什么呢？

其實，團隊最初使用的也是圓形改性/鍍膜裝備，但他們很快發(fā)現(xiàn)，圓形改性/鍍膜裝備要求反射鏡中心必須有一個孔，否則鍍膜后的反射鏡將無法使用。

“可不可以讓固定的靶材‘跑’起來？”一個大膽的想法在高勁松腦海中閃現(xiàn)。這樣一來，即使將來反射鏡中間沒有孔，也能順利完成鍍制，改性/鍍膜裝備也因此變成了獨特的方形。采用該裝備，長春光機所在4米口徑范圍內將膜厚不均勻性控制在5%以內。

然而，實驗樣品剛從裝備里拿出來時還不錯，但不一會兒膜層就一點點開裂、剝落。有時像放煙花一樣，星星點點的小碎末往上蹦；有時形成一條條“小裂谷”，膜層從鏡面成片翹起。沒過多久，整個鏡面布滿灰塵一樣的碎末，一吹便散了。最差的時候，不到一個小時膜層就掉得干干凈凈?？吹竭@樣的場景，團隊成員急得在辦公室里來回踱步。

高勁松、時任長春光機所光學中心薄膜室主任王笑夷帶領團隊進行研究，經過團隊成員劉震、劉海、王延超等半年多的反復實驗和調整才找到合適的工藝參數(shù)，最終將磁控濺射技術應用于4米碳化硅反射鏡表面改性/鍍膜。這在國內外都屬于首次。

他們最終完成了改性膜層/高反射膜層的鍍制，此時的4米碳化硅反射鏡才算“破繭成蝶”，蛻變成真正的反射鏡。至此，國際上公開報道口徑最大的4.03米碳化硅反射鏡研制成功。

5 實現(xiàn)全鏈路制造

大口徑反射鏡在高分辨率空間對地觀測、深空探測、天文觀測等領域具有迫切需求，國內多家科研機構、高校相繼開展了相關研究。其中，中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國建筑材料科學研究總院、哈爾濱工業(yè)大學等以碳化硅反射鏡坯制備為主，北京空間機電研究所、中國科學院光電技術研究所等以反射鏡加工技術為主，長春光機所則以碳化硅反射鏡坯制備、光學加工與檢測、改性與鍍膜等全鏈路制造為目標。

為什么要做全鏈路？這與長春光機所建所以來，王大珩等老一輩科學家提出的科研單位要“一竿子插到底”的目標密切相關。他們本著“時時放心不下、處處放心不下”的危機感，主張從基礎理論到研究、設計、制造、裝調、檢驗和試驗所有環(huán)節(jié)入手，為社會經濟和國家安全提供重要裝備。

在4米碳化硅反射鏡技術攻關過程中，長春光機所自主設計、研制了以4米高溫真空燒結爐、4米磁流變拋光裝備、FSGJ-4型非球面數(shù)控光學加工中心、4米磁控濺射鍍膜機為代表的反射鏡坯制備、光學加工與檢測、改性與鍍膜所需的30余臺套大型裝備，并自主開發(fā)了磁流變拋光控制、數(shù)控加工控制、3D輪廓檢測、面形檢測、膜層厚度檢測等反射鏡加工及檢測軟件，真正實現(xiàn)了大口徑碳化硅反射鏡全鏈路制造。

2018年8月，國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度SiC非球面反射鏡集成制造系統(tǒng)”順利通過驗收。中國工程院院士金國藩、潘君驊等驗收組專家認為：“該項目是我國在大口徑光學制造領域的重大技術突破，形成了大口徑系列反射鏡研制能力，為我國大型光電系統(tǒng)研制解決了核心技術難題。”

2018年12月，在“大口徑碳化硅光學復雜曲面高效高精度制造技術”科技成果鑒定中，中國工程院院士姜會林等鑒定組專家認為：“該項目研發(fā)難度極大，創(chuàng)新性與引領性很強，核心關鍵技術、原材料、軟件和裝備完全自主可控，具有自主知識產權，研究成果整體達到國際領先水平?！?/p>

目前，長春光機所研制的大口徑碳化硅反射鏡已應用于多項國家重大工程任務。與此同時，長春光機所面向國民經濟主戰(zhàn)場，立足團隊研究成果，孵化了多家高新技術企業(yè)，實現(xiàn)了以碳化硅陶瓷及其復合材料制品、中大口徑非球面及自由曲面的高端精密光學元件加工與檢測裝備、新型光譜濾光片及基于光譜濾光片的成像光譜儀等為代表的高科技成果轉化。延伸出來的技術、產品已經開花結果，廣泛應用于我國半導體裝備制造、汽車、生物醫(yī)療、食品衛(wèi)生、現(xiàn)代農業(yè)等領域，有力促進了相關產業(yè)轉型升級、快速發(fā)展。