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[天文] 中科院成功研制4.03米世界最大口徑單體碳化矽反射鏡

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發表於 2018-8-22 22:31:03 |顯示全部樓層
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國家重大科研裝備研制項目“4m量級高精度碳化矽非球面反射鏡集成制造系統”,8月21日在長春通過驗收。中科院長春光機所研制的直徑4.03米口徑高精度碳化矽非球面反射鏡,是目前世界上口徑最大的單體碳化矽反射鏡。它標誌著我國光學系統先進制造能力達到了國際先進水平;同時為我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米的碳化矽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”裝到望遠鏡裏,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誌。

那麽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。從碳化矽粉末,到最終變成高剛度、高面形精度的4米反射鏡,我們看一下科研人員是如何化腐朽為神奇的吧。

制造碳化矽反射鏡第一步,是將碳化矽粉末燒制成整體的反射鏡鏡坯。4米碳化矽反射鏡絕不僅僅是看著美麗,要想實現工程化應用,必須達到並保持極高面形精度。它依賴於反射鏡“強健的筋骨”——碳化矽陶瓷鏡坯。

目前,國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化矽、金屬鈹,以及碳纖維/碳化矽複合材料等。相比其他材料,碳化矽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,碳化矽反射鏡更輕、熱穩定性更優。

盡管碳化矽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於制備技術限制,均採用開放式的輕量化結構。與它們不同,長春光機所採用類似“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複雜機械加工過程;又進一步降低了反射鏡的質量、提高了反射鏡的結構剛度。

成型後的反射鏡鏡坯經兩次燒結後,“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。

當今世界,大口徑反射鏡鏡坯制造和反射鏡加工技術一直被美國、法國、德國等少數西方國家掌握。長春光機所研究團隊耗時十餘年、經歷數百次實驗探索與工藝驗證,先後突破了1米、2米口徑的碳化矽反射鏡鏡坯,最終研制出4米口徑碳化矽鏡坯。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、檢測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。

未來,這只“美麗的大眼睛”將越來越多的應用於國產各型大口徑光電裝備上。這些裝備將遍及祖國陸地、海洋、天空,讓中國的目光更加深邃、視野更加寬廣。

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