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逼出来的核心技术!

发布时间:2018-09-10 19:06 来源:中青在线 作者:来点科学·邱晨辉

    “千万不要裂,千万不要裂……”

    在4米碳化硅镜坯出炉之日,干了一辈子光学材料的中科院长春光机所研究员赵文兴转过身不敢盯着,他生怕这块“宝贝”再有裂纹了,以至于紧张到不停地念叨这两句话。此前,镜坯已先后出炉4次,但均以裂纹告终。

    这一次,赵文兴心里的大石头终于落下。今年8月,以这块镜坯为基底的4米碳化硅反射镜终于通过项目验收,这意味着,我国自主研制的最大一面反射镜正式诞生,这也是世界上公开报道的最大口径单体碳化硅反射镜。

    站在这个直径4米、重达1.6吨的“大镜子”旁边,让人瞬间感到渺小。反射镜犹如一个巨大的环形圆盘,镜面在灯光的照射下闪闪发亮,就好像刚出生婴儿的大眼睛——如果把这只“瞳孔”装到望远镜里,将极大提升其分辨率。

    该项目负责人、中科院长春光机所副所长、研究员张学军告诉中国青年报·中青在线记者,这块镜子,就是国防工程和深空探测领域期待已久的核心元件。

    国家工程上的核心元件

    1992年,张学军还是一名在读博士生,彼时我国载人航天工程刚刚立项,其中一个任务就遇到一个迫在眉睫的“卡脖子”需求:大口径反射镜。

    据他回忆,当时国际上已经能够造出1米和1.5米直径的反射镜,但欧美对此小心翼翼,将库房大门紧锁,我国只能从俄罗斯进口,而能买来的,也仅仅是直径为0.6米的反射镜。

    0.6米的口径,在今天看起来很小,当时却接近了中国的制造极限。用张学军的话说,“口径决定观测极限”。

    事实上,自1609年伽利略发明天文望远镜以来,无论是从地面仰望星空,还是从空间俯瞰大地、纵观寰宇,想要使光学系统的观测能力不断提升,都离不开一个关键——口径。

    比如,著名的哈勃太空望远镜,口径达到了2.4米,最远已经观测到了距离地球134亿光年的宇宙深处——更加接近宇宙诞生之时的状态。而在地面上,美国先进光电望远镜的口径3.67米,能探测近地轨道上0.1米大小的碎片,并成功观测到了哥伦比亚号事故的症结所在,为日后避免惨剧再次发生提供了相关依据。

    4米碳化硅反射镜项目验收专家、中国工程院院士姜会林就提到,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,直径越大,光学望远镜的分辨率和精度就越高。

    对更大口径反射镜的需求是无止境的,也是国际竞争的焦点。但要造大口径反射镜,实属不易。

    材料和加工技术首当其冲。张学军告诉记者,大口径反射镜是现代光学系统制造中难度最大、最核心的关键部件,反射镜口径越大,光学材料制备和光学加工的难度就将呈几何级数上升。

    以可见光波段观测为例,把反射镜口径做到4米,同时要求面形精度优于20纳米,“就好比把4米反射镜,放大到一块北京市面积大小的土地上,然后对其进行平整,并要求东南角和西北角的高低差在正负零点几毫米以内,平整度误差小于1毫米。”张学军说。

    在这次反射镜镜坯出炉之前,我国所拥有的只是直径1.5米以下的“小镜子”。

    买不来的垄断技术

    要做反射镜,先做镜坯,而要做镜坯,就要先选材料。几乎和载人航天工程立项同步,赵文兴从上个世纪90年代就开始从事这方面的材料攻关,后来随着4米碳化硅反射镜的立项,他也成为该项目的镜坯负责人。

    放眼全球,国际上常用的反射镜镜坯材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍等。这其中,微晶玻璃使用最多,其加工技术也相对成熟,最大口径可以达到单体8米、拼接12米以上。然而,这一技术却长期被美国、法国、德国等少数西方国家掌握,口径超过2米便很难引进。

    赵文兴曾试着走过玻璃制备这条路,但并没有走通,最后不得不选择陶瓷材料制备。在这条新的道路上,他一走就是20多年,最终发现碳化硅的比刚度和热稳定性比之微晶玻璃“丝毫不差”,甚至可以说是反射镜备选材料的宠儿。

    张学军对中国青年报·中青在线记者直言:“我们也曾尝试直接从国外购买,但只要是反射镜超过1.5米,其产品、生产设备以及工艺技术全被外国公司垄断而无法引进。”

    那是2009年前后,张学军刚刚担任起这个项目的负责人,“那时的我们就像是被逼到了墙角,没有任何退路可言,为了用上大口径反射镜,你所面对的就是一个选择:自己干!”

    如今,中国把东西造了出来。

    记者找到项目验收当天专家组给出的验收意见,其中有这样两层意思:其一,4米口径碳化硅反射镜的所有技术指标,均达到或优于项目批复的实施方案规定的考核指标要求,系统性能国际领先。其二,该项目是我国在大口径光学制造领域的重大技术突破,为空间大口径光学系统的研制解决了核心技术难题,1.5米口径和2米口径的反射镜已成功应用于国家重大型号任务,而4米口径的反射镜工程产品也即将应用于国家地基大型光电系统。

    签下这份验收意见的共有14位专家,其中院士就有7位——这样的阵容,即便是在国家级的重大科研装备项目验收中也比较罕见。

    姜会林就是其中一位院士。据他透露,验收时专家组成员十分兴奋,“以前国外不卖给我们,我们干着急;如今这个成果出来,让我国在这个领域实现从跟跑、并跑到领跑的跨越”。

    一次又一次的失败

    2009年年底,经中科院策划和财政部支持,长春光机所正式启动这个名为“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”的国家重大科研装备研制项目。

    立项时,中国科学家选的材料正是碳化硅陶瓷。这是赵文兴等老一辈科学家探索验证出来的“最佳材料”,但想在反射镜身上真正应用起来,还要走上一段十分艰辛的道路。

    碳化硅虽然性能优良、导热快、受热变形小,但比起微晶玻璃等其他原材料,其制造难度也更大——碳化硅本身属于陶瓷,口径一旦增大,烧结很容易出现裂纹甚至破碎。甚至,一度被认为无法突破1.5米的口径极限。

    在这次成功之前,赵文兴团队已经连续尝试烧制了4块碳化硅镜坯,每一次烧结需要五六个月,再加上前期准备,整个过程要1年。5块,就意味着5年。

    当第一块镜坯出炉时,赵文兴看见其中有裂痕,心跳急促,他知道“失败了”,随即将其敲碎,拿着破碎的颗粒研究失败原因。等张学军赶到时,看到的已然是一堆破碎的陶瓷。

    失败,一次接一次的失败,过去几年,这样的场景反复在这支团队中间上演。既然选择了自主创新,就意味着风雨兼程。

    仅仅做出镜坯还不够。大口径光学反射镜的制造难度,主要集中在反射镜的镜坯制造、反射镜光学加工这两方面制造工艺环节。镜坯出炉后,加工的难题便接踵而至。

    张学军说,碳化硅硬度极高,同样厚度下,其抗变形能力比玻璃强4倍,常见材料中仅次于金刚石。对于这样的材料,磨削抛光至纳米表面精度难度极大。

    国外“垄断”的不仅是相关材料产品,还有加工技术及其背后的设备——4米量级的反应烧结炉、非球面数控光学加工中心、大型磁控溅射镀膜机。而这又倒逼张学军团队自主研发全套加工制造设备。

    “仅仅造出4米反射镜,就算掌握自主核心技术了?”张学军说,围绕着反射镜制造的工艺路线,一整套完整的、具有完全自主知识产权的加工、检测装备同步开发完成,才能说大口径反射镜制造的全部核心技术,已经真正掌握在自己手中。

    或许不久的将来,在太空或地面上,就将悬起中国创造的碳化硅巨镜,它们或采集百亿光年外的宇宙信号,或监测近地空间每一块微小碎片。

    记者、微信编辑、图片:邱晨辉。

    本文原载于中国青年报 (2018年09月10日 12 版),原标题《核心元件出炉记》。 

【编辑:吴蕴聪】
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