中國國家重大科研裝備研制項目“4m量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”21日在長春通過驗收。
綜合中新社、央廣網報道，中科院長春光機所研制的直徑4.03米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡，是目前世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。它標志著中國光學系統先進制造能力達到了國際先進水平；同時為中國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。其核心制造設備以及制造工藝具有完全自主知識產權。
直徑4.03米的碳化硅反射鏡像一個巨大的圓盤，在燈光的照射下閃閃發光。如果把這只“大眼睛”裝到望遠鏡里，將極大提升望遠鏡的分辨率。這種大口徑高精度非球面光學反射鏡，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。其制造技術水平，對國家的國防安全、國民經濟建設、基礎科研能力具有重要意義，也是衡量一個國家高性能光學系統的研制水平的重要標志。
那么這只美麗的大眼睛是怎樣煉成的呢？
大口徑光學反射鏡的制造難度，主要集中在反射鏡鏡坯制造、反射鏡光學加工等制造工藝環節。從碳化硅粉末，到最終變成高剛度、高面形精度的4米反射鏡。
制造碳化硅反射鏡第一步，是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著美麗，要想實現工程化應用，必須達到并保持極高面形精度。它依賴于反射鏡“強健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。
目前，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/碳化硅復合材料等。相比其他材料，碳化硅具有更大的比剛度和熱穩定性。這使得在實現同樣的光學口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡更輕、熱穩定性更優。
盡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。目前世界上大多數反射鏡由于制備技術限制，均采用開放式的輕量化結構。與它們不同，長春光機所采用類似“果凍”制品的成型方式，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，既避免了實現輕量化結構的復雜機械加工過程；又進一步降低了反射鏡的質量、提高了反射鏡的結構剛度。
成型后的反射鏡鏡坯經兩次燒結后，“大眼睛”的一身“鋼筋鐵骨”就練就好了。再經過光學加工、改性和鍍膜等工藝，粗糙的陶瓷坯搖身一變，成為了一塊反射率達到95%以上的高精度反射鏡。
歷時15年探索攻關，9年立項研制最終成功
項目負責人、中科院長春光機所副所長張學軍研究員介紹說，碳化硅陶瓷材料則是國際光學界公認的高穩定性光學反射鏡材料，但歐美國家在大口徑碳化硅光學反射鏡制造技術方面長期處于壟斷地位，中國必須自主發展大口徑碳化硅光學制造技術。
長春光機所研究團隊耗時十余年、經歷數百次實驗探索與工藝驗證，先后突破了1米、2米口徑的碳化硅反射鏡鏡坯，最終研制出4米口徑碳化硅鏡坯。圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線，一整套完整的、具有完全自主知識產權的加工、裝備也同步開發完成，使大口徑反射鏡制造的全部核心技術真正掌握自己手中。
早在2003年，中科院長春光機所就開始對大口徑碳化硅光學反射鏡制造技術進行探索攻關，2009年底，面向國家對大型光學儀器的戰略需求，中央財政投入1.96億元人民幣的國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”，正式在中科院長春光機所立項啟動。
項目啟動后，張學軍領導的研發團隊通過多年持續技術攻關，突破一系列關鍵技術瓶頸，先后完成碳化硅鏡坯制備、非球面加工檢測、碳化硅表面改性鍍膜的制造設備研制與制造工藝研究，形成了具有自主知識產權的“4米量級高精度碳化硅非球面集成制造平臺”，并依托集成制造平臺完成4米量級高精度碳化硅非球面產品研制。
其中，在碳化硅材料制備技術方面，項目研發團隊創建大口徑碳化硅鏡坯制造平臺，并先后研制成功可用于可見光成像的2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯，而此前國際上公認1.5米是單體碳化硅反射鏡的極限口徑，從而實現中國大口徑碳化硅光學材料制備的自主可控。
在大口徑碳化硅非球面加工檢測技術方面，項目研發團隊突破大口徑碳化硅非球面高精度高效加工技術瓶頸，并解決了高精度零位檢測精度標定、調整誤差分離、投影畸變校正等關鍵問題，完成4米量級碳化硅非球面高精度加工，加工精度優于16納米，全面實現4米量級碳化硅高精度加工與檢測技術自主可控。
在大口徑碳化硅改性鍍膜技術方面，項目研發團隊在國際上首次研制成功碳化硅反射鏡改性與反射膜鍍制一體化設備，提升膜層質量與可靠性，實現4米口徑碳化硅反射鏡表面高反射率薄膜鍍制，可見至長波紅外全譜段反射率優于95%。
專家指出，中國通過研制成功“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”，形成具備自主知識產權的4米量級大口徑反射鏡研制能力，并陸續應用于中國各類大型光電設備，將推動中國在大口徑光學反射鏡制造技術方面實現跨越式發展，大幅提升中國高性能大型光學儀器研制水平。
張學軍表示，目前，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”項目成果已獲得一系列重要應用：2米量級碳化硅非球面反射鏡已應用于國家大型光電系統項目；4米量級碳化硅非球面反射鏡即將應用于國家重大工程項目。同時，項目成果將持續應用于中國空間站多功能光學設施、國家重點研發計劃“靜止軌道高分辨率輕型成像相機系統技術”等一系列國家重大基礎研究和工程項目研制。
他透露，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”項目研究成果還成功應用于多項國家重大型號項目及背景預研項目中，并成功牽引出總經費近50億元的多項國家重大型號項目。
中國國家重大科研裝備研制項目“4m量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”21日在長春通過驗收。
綜合中新社、央廣網報道，中科院長春光機所研制的直徑4.03米口徑高精度碳化硅非球面反射鏡，是目前世界上口徑最大的單體碳化硅反射鏡。它標志著中國光學系統先進制造能力達到了國際先進水平；同時為中國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。其核心制造設備以及制造工藝具有完全自主知識產權。
直徑4.03米的碳化硅反射鏡像一個巨大的圓盤，在燈光的照射下閃閃發光。如果把這只“大眼睛”裝到望遠鏡里，將極大提升望遠鏡的分辨率。這種大口徑高精度非球面光學反射鏡，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。其制造技術水平，對國家的國防安全、國民經濟建設、基礎科研能力具有重要意義，也是衡量一個國家高性能光學系統的研制水平的重要標志。
那么這只美麗的大眼睛是怎樣煉成的呢？
大口徑光學反射鏡的制造難度，主要集中在反射鏡鏡坯制造、反射鏡光學加工等制造工藝環節。從碳化硅粉末，到最終變成高剛度、高面形精度的4米反射鏡。
制造碳化硅反射鏡第一步，是將碳化硅粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化硅反射鏡絕不僅僅是看著美麗，要想實現工程化應用，必須達到并保持極高面形精度。它依賴于反射鏡“強健的筋骨”——碳化硅陶瓷鏡坯。
目前，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/碳化硅復合材料等。相比其他材料，碳化硅具有更大的比剛度和熱穩定性。這使得在實現同樣的光學口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡更輕、熱穩定性更優。
盡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。目前世界上大多數反射鏡由于制備技術限制，均采用開放式的輕量化結構。與它們不同，長春光機所采用類似“果凍”制品的成型方式，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，既避免了實現輕量化結構的復雜機械加工過程；又進一步降低了反射鏡的質量、提高了反射鏡的結構剛度。
成型后的反射鏡鏡坯經兩次燒結后，“大眼睛”的一身“鋼筋鐵骨”就練就好了。再經過光學加工、改性和鍍膜等工藝，粗糙的陶瓷坯搖身一變，成為了一塊反射率達到95%以上的高精度反射鏡。
歷時15年探索攻關，9年立項研制最終成功
項目負責人、中科院長春光機所副所長張學軍研究員介紹說，碳化硅陶瓷材料則是國際光學界公認的高穩定性光學反射鏡材料，但歐美國家在大口徑碳化硅光學反射鏡制造技術方面長期處于壟斷地位，中國必須自主發展大口徑碳化硅光學制造技術。
長春光機所研究團隊耗時十余年、經歷數百次實驗探索與工藝驗證，先后突破了1米、2米口徑的碳化硅反射鏡鏡坯，最終研制出4米口徑碳化硅鏡坯。圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線，一整套完整的、具有完全自主知識產權的加工、裝備也同步開發完成，使大口徑反射鏡制造的全部核心技術真正掌握自己手中。
早在2003年，中科院長春光機所就開始對大口徑碳化硅光學反射鏡制造技術進行探索攻關，2009年底，面向國家對大型光學儀器的戰略需求，中央財政投入1.96億元人民幣的國家重大科研裝備研制項目“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”，正式在中科院長春光機所立項啟動。
項目啟動后，張學軍領導的研發團隊通過多年持續技術攻關，突破一系列關鍵技術瓶頸，先后完成碳化硅鏡坯制備、非球面加工檢測、碳化硅表面改性鍍膜的制造設備研制與制造工藝研究，形成了具有自主知識產權的“4米量級高精度碳化硅非球面集成制造平臺”，并依托集成制造平臺完成4米量級高精度碳化硅非球面產品研制。
其中，在碳化硅材料制備技術方面，項目研發團隊創建大口徑碳化硅鏡坯制造平臺，并先后研制成功可用于可見光成像的2米、2.4米、3米單體碳化硅鏡坯和4米口徑整體碳化硅鏡坯，而此前國際上公認1.5米是單體碳化硅反射鏡的極限口徑，從而實現中國大口徑碳化硅光學材料制備的自主可控。
在大口徑碳化硅非球面加工檢測技術方面，項目研發團隊突破大口徑碳化硅非球面高精度高效加工技術瓶頸，并解決了高精度零位檢測精度標定、調整誤差分離、投影畸變校正等關鍵問題，完成4米量級碳化硅非球面高精度加工，加工精度優于16納米，全面實現4米量級碳化硅高精度加工與檢測技術自主可控。
在大口徑碳化硅改性鍍膜技術方面，項目研發團隊在國際上首次研制成功碳化硅反射鏡改性與反射膜鍍制一體化設備，提升膜層質量與可靠性，實現4米口徑碳化硅反射鏡表面高反射率薄膜鍍制，可見至長波紅外全譜段反射率優于95%。
專家指出，中國通過研制成功“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”，形成具備自主知識產權的4米量級大口徑反射鏡研制能力，并陸續應用于中國各類大型光電設備，將推動中國在大口徑光學反射鏡制造技術方面實現跨越式發展，大幅提升中國高性能大型光學儀器研制水平。
張學軍表示，目前，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”項目成果已獲得一系列重要應用：2米量級碳化硅非球面反射鏡已應用于國家大型光電系統項目；4米量級碳化硅非球面反射鏡即將應用于國家重大工程項目。同時，項目成果將持續應用于中國空間站多功能光學設施、國家重點研發計劃“靜止軌道高分辨率輕型成像相機系統技術”等一系列國家重大基礎研究和工程項目研制。
他透露，“4米量級高精度碳化硅非球面反射鏡集成制造系統”項目研究成果還成功應用于多項國家重大型號項目及背景預研項目中，并成功牽引出總經費近50億元的多項國家重大型號項目。
