■本報記者 陳歡歡
一塊直徑4米的碳化矽反射鏡躺在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）實驗室中，閃閃發光。這塊看似普通的鏡子，卻是國防工程中期待已久的技術突破。
8月21日，由長春光機所承擔的國家重大科研裝備研製項目「4米量級高精度碳化矽非球面反射鏡集成製造系統」通過項目驗收。不久的將來，它將在國家地基大型光電系統中發揮作用。
這是目前國際上公開報導的最大口徑的高精度碳化矽非球面反射鏡，也是我國自主製造出的最大一面反射鏡。隨著這一「卡脖子」技術的攻克，未來，「大鏡子」將越來越多出現在我國國產大口徑光電裝備上。
口徑決定觀測極限
自1609年伽利略發明天文望遠鏡以來，光學系統觀測能力的不斷提升，離不開一個關鍵——口徑。
項目驗收專家、中國工程院院士姜會林表示，反射鏡直徑越大，光學望遠鏡的解析度和精度就越高，尤其是針對運動目標。因此，對更大口徑反射鏡的需求是無止境的，也是國際競爭的焦點。
哈勃太空望遠鏡的口徑2.4米，最遠觀測到距離地球134億光年的宇宙深處；先進光電望遠鏡（AEOS）口徑3.67米，成功觀測到美國哥倫比亞號太空梭事故的癥結所在；鎖眼12（KH-12）衛星相機口徑超過3米，對地解析度可達0.1米。
長春光機所副所長張學軍告訴《中國科學報》記者，反射鏡口徑的需求沒有上限，其上限取決於製造加工能力。而這也是我國一直被「卡脖子」的瓶頸所在——在技術封鎖下，我國只能使用直徑1米以下的「小鏡子」。
在各種反射鏡基體材料中，微晶玻璃使用最多，目前最大口徑可以達到單體8米、拼接12米以上。但這一技術被美國和法國兩家公司壟斷，口徑超過2米便很難引進。
碳化矽的比剛度和熱穩定性在各種材料中最優，且能實現輕量化結構，是製造反射鏡的理想材料。例如，其比鋼度是玻璃的4倍，同樣厚度下，其抗變形能力比玻璃強4倍。但其製備難度極高，「我們也曾嘗試購買，被外國公司以『戰略物資』為由拒絕了」。張學軍透露。
在國家對大型光學儀器迫切的戰略需求下，2009年底，經中科院和財政部策劃支持，長春光機所啟動「4米量級高精度碳化矽非球面反射鏡集成製造系統」項目，歷時8年終於攻克這一技術，完成4米量級高精度碳化矽非球面產品研製，並形成了具有自主智慧財產權的集成製造平臺。
「我們選擇了最好的材料，挑了一條難走的路，終於把路走通了。」張學軍說。
十餘年攻關
實際上，早在項目立項之前，長春光機所已經選擇碳化矽材料為突破方向開始了相關研究，但並不被國際同行看好。碳化矽雖然性能優良，但存在的技術障礙也較大，難以突破1.5米的口徑極限。
項目研發團隊另闢蹊徑，採用了一條過去沒人成功過的技術路線，歷經數百次實驗探索與工藝驗證，突破了一系列技術難關，終於完成了4米口徑整體碳化矽鏡坯。
走一條別人沒走過的路，就意味著沒有成功經驗可借鑑。這塊4米口徑整體碳化矽鏡坯先後失敗了4次，第五次才成功。
「一次燒結需要五六個月，再加上前期準備，整個過程要1年，5次就是5年。這是一個漫長的過程。」張學軍說。
第一塊失敗的鏡坯張學軍沒看見全貌，等他趕到時，鏡坯團隊負責人趙文興已經將其敲碎，正拿著破碎的顆粒研究失敗原因。等到第五次出爐時，趙文興已經不敢上前查看了。
鏡坯製造完成後，還要經過漫長的加工流程。為了保證成像質量，光學系統對反射鏡的面型精度有著苛刻的要求。以可見光波段觀測為例，面型精度要求差值小於20納米，這就好比要求北京市的土地平整度差值小於1毫米。
加工難題接踵而至：碳化矽硬度極高，常見材料中僅次於金剛石，其磨削拋光至納米表面精度難度極大。項目組在國外禁運大口徑非球面數控加工設備的情況下，研製出適用於大口徑碳化矽高精度製造的非球面數控加工中心，實現了加工與檢測技術自主可控。最終，經過精拋光的反射面鍍膜的反射率達到95%以上。
與此同時，項目組還開發了一整套具有完全自主智慧財產權的加工、檢測裝備，使大口徑反射鏡製造的全部核心技術真正掌握在自己手中。
逼出來的自主創新
1992年張學軍博士在讀，彼時我國載人航天剛剛立項，急需大口徑反射鏡。張學軍回憶：「當時歐美都不賣，最後從俄羅斯進口了0.6 米直徑的碳化矽反射鏡。前年我去聖彼得堡訪問，他們現在能做到1米直徑。」
買不到又必須用，把長春光機所逼上了自主創新這條路。為了打破壟斷，20世紀90年代末，他們就已布局光學級碳化矽陶瓷材料研究。
「正是西方國家的技術壁壘和封鎖堅定了我們自主創新的決心。國家需求很大，我們沒有退路，必須把這條路走通。」張學軍說。
張學軍表示，大口徑高精度非球面光學反射鏡是高解析度空間對地觀測、深空探測和天文觀測系統的核心元件和支撐技術。驗收專家組在驗收意見中指出，4米口徑碳化矽反射鏡工程產品「為空間大口徑光學系統的研製解決了核心技術難題」。
「以前國外不賣給我們，我們干著急，現在他們反而提出要跟我們合作，這是跨越式發展的成果。」姜會林告訴《中國科學報》記者，「今天驗收我們專家組特別高興，長春光機所做出了國際最高水平的反射鏡，以後我們在這個方向就能從跟跑、並跑到領跑。」
據悉，基於該項目成果研製完成的1.5米量級碳化矽非球面反射鏡已成功應用於我國高分有效載荷；2米量級反射鏡應用於國家大型光電系統項目；4米量級反射鏡也即將應用於國家重大工程項目。項目成果還將持續應用於空間站多功能光學設施、國家重點研發計劃——「靜止軌道高解析度輕型成像相機系統技術」等一系列國家重大項目。
姜會林也在排隊等著用4米口徑的大鏡子。他說：「我們做空間探測希望能看見釐米級空間碎片，需要用到大口徑反射鏡。很多人找我打聽什麼能用上長春光機所的鏡子，希望技術成熟後能加速這個過程。」
《中國科學報》 (2018-08-22 第1版 要聞)