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    長春光機:4米量級反射鏡將實現應用

    2020-02-25 16:50:38

    前不久,由長春光機所承擔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”通過項目驗收。這是公開報道的世界上大口徑碳化硅單體反射鏡。該成果的取得,也標志著我國光學系統制造能力躋身國際先進水平,為我國大口徑光電裝備跨越升級奠定了堅實基礎。  

    這個直徑4米、重達1.6噸的“大鏡子”猶如一個巨大的環形圓盤——如果把它裝到望遠鏡里,將極大提升其分辨率。  

    “現代大口徑光學系統均采用反射式結構,其中主鏡口徑直接決定了系統的分辨能力,口徑越大,光學望遠鏡的分辨率和精度就越高?!?米碳化硅反射鏡項目驗收專家、中國工程院院士姜會林說。  

    造大口徑反射鏡,實屬不易?!胺瓷溏R口徑的上限取決于制造加工能力。同時,為了保證望遠鏡的分辨率和成像質量,反射鏡必須具有非常高的面型精度?!遍L春光機所副所長張學軍介紹,以可見光波段觀測為例,面型精度要求至少在1/30以上波長,這就好比將4米反射鏡放大到一個城市大小,進行土地平整,并要求東南角和西北角的高低差在正負零點幾毫米以內,土地平整度要小于1毫米。這對反射鏡鏡坯材料和光學加工技術都提出了極為嚴苛的要求。  

    對于反射鏡鏡坯而言,材料的比剛度和熱穩定性必須盡可能大,這樣隨著口徑的增大,材料的剛性仍然可以保證面型的穩定,受熱環境影響較小,并且有利于減輕系統重量。  

    國際上常用的反射鏡鏡坯材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹等,碳化硅以其優異的比剛度和熱穩定性成為反射鏡備選材料的寵兒。  

    碳化硅雖然性能優良、導熱快、受熱變形小,但比起微晶玻璃等其他原材料,其制造難度也更大——碳化硅本身屬于陶瓷,口徑一旦增大,燒結很容易出現裂紋甚至破碎,一度被認為無法突破1.5米的口徑極限。  

    “大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術一直被少數西方國家掌握,我國始終不具備自主制造4米量級大口徑反射鏡的能力?!睆垖W軍坦言。為打破壟斷,20世紀90年代末,長春光機所就已布局光學級碳化硅陶瓷材料研究。團隊耗時10余年、經歷數百次實驗探索與工藝驗證,先后突破1米、2米口徑碳化硅反射鏡鏡坯,終于在2016年成功研制出4米口徑碳化硅鏡坯。  

    鏡坯有了,但碳化硅極高的硬度也給加工方法帶來新挑戰。此外,碳化硅在光學粗拋光后表面有細微缺陷,這會影響反射率等光學性能,因此需要通過后續工藝改進表面特性。  

    項目組運用計算機控制光學表面成形技術,通過采用“應力盤”拋光、磁流變拋光等組合加工技術,大幅度提高了非球面的制造精度和效率;同時采用擺臂輪廓儀檢測、光學零位補償干涉測量等先進檢測技術,實現對4米反射鏡的原位檢測。Z終,經過精拋光的反射鏡鍍膜后反射率達到95%以上,具備工程化應用條件,實現了4米大口徑非球面反射鏡的高精度光學加工。  

    “僅僅掌握4米反射鏡制造工藝,并不算自主掌握核心技術?!睆垖W軍說,與加工工藝同等重要的,還有完成4米反射鏡制造所需全套制造裝備的研發。圍繞反射鏡研制流程,項目完成了3個子系統、10余套加工檢測設備研制,全部來自自主知識產權。  

    目前,由長春光機所研發的2米量級口徑反射鏡已在實際工程中應用;2022年,在中國空間站的多功能光學設施上,將使用我國自主研制的大口徑反射鏡;在不遠的將來,4米量級反射鏡也將應用在我國新一代光電觀測系統中。  

    (編輯:李汶佳)


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