4.03米口径碳化硅反射镜，让宇宙更清晰

　　反射镜是高性能光学系统的核心。中科院长春光机所副所长张学军介绍说：“如果把望远镜比作观测太空的‘眼睛’，那么反射镜就是眼睛的‘晶状体’。晶状体越大，眼睛的空间分辨率也就越高，能够观测到天体更多的细节。”

　　2018年8月，中科院长春光机所完成4.03米大口径碳化硅反射镜研制并通过验收，这是公开报道过的世界上最大口径碳化硅单体反射镜。由此，我国光学系统制造能力跻身国际先进水平，终于不再受制于人。

　　曾经我们只能“近视”

　　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，想要使望远镜的观测能力不断提升，都离不开一个关键——口径。

　　大望远镜装备对反射镜口径的需求没有上限，其上限取决于制造加工能力。对于口径的“实力”，张学军举例，大名鼎鼎的哈勃太空望远镜口径是2.4米，最远可以观测到距离地球134亿光年的宇宙深处；先进光电望远镜口径3.67米，成功观测到美国哥伦比亚号航天飞机事故的症结所在。

　　20世纪90年代初，我国1米以下口径空间反射镜材料一直依赖进口，那时载人航天刚刚起步，急需大口径反射镜。张学军回忆道：“当时欧美都不卖，最后从俄罗斯进口了0.6米直径的反射镜。”

　　这也是一直卡住我们脖子的问题——在技术封锁下，我国只能使用直径1米以下的“小镜子”。“我们也曾尝试向欧美国家购买大口径光学反射镜，不过被他们以‘战略物资’为由拒绝了。”张学军透露。

　　发展大口径碳化硅光学制造技术迫在眉睫。

　　“国家需求很大，我们没有退路，必须把这条路走通。正是西方国家的技术壁垒和封锁坚定了我们自主创新的决心。核心技术买不来，一定要走自主研发的道路！”张学军说。

　　四砸失败镜坯

　　买不到又必须用，把长春光机所逼上了自主创新这条路。

　　为了解决技术瓶颈，长春光机所选择了一条与国外不同的技术路线——选用碳化硅作为反射镜材料。碳化硅是制造反射镜的理想材料，其比刚度是玻璃的4倍，同样厚度下，抗变形能力比玻璃强4倍。“但其制备难度极高，所以并不被国际同行看好。”张学军坦言。

　　2009年底，长春光机所正式启动“4米量级高精度碳化硅非球面反射镜集成制造系统”项目，开始自主研制大口径高精度非球面反射镜制造系统。

　　4米碳化硅反射镜绝不仅仅是看着炫目，要想能够实际应用，必须依赖于碳化硅陶瓷镜坯。所以制造碳化硅反射镜的第一个难题，就是将碳化硅粉末烧制成整体的反射镜镜坯。张学军说：“用碳化硅烧制的陶瓷，口径一旦增大，就容易出现内部缺陷而导致开裂，一度被认为无法突破的口径极限是1.5米。”

　　由于没有经验，第一块镜坯毫无疑问地失败了。还没等张学军看见全貌，团队已经将其敲碎，用破碎的颗粒研究失败原因，张学军说：“在数百个工艺环节中，每一个细小的失误都有可能导致研制失败。”

　　项目团队顶着巨大压力，反复试验探索与工艺验证，先后突破了消失模制作、凝胶注模成型、无应力反应连接等一系列镜坯制备关键技术，2米、2.4米、3米单体碳化硅镜坯相继研制成功。

　　在经历了4次失败后，2016年，具有自主知识产权、4.03米碳化硅反射镜坯终于新鲜出炉了。“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次就是5年。这是一个漫长的过程。”

　　由“卡片机”变“单反”

　　镜坯制造完成后，接下来就是漫长的加工流程。“为了保证成像质量，光学系统对反射镜的面型精度有着苛刻的要求：优于20纳米。”张学军打了个比方，这就像对北京市的土地进行平整，要求平整度误差小于1毫米。

　　伴随着成功而来的，是接踵而至的难题：碳化硅硬度仅次于金刚石，其磨削抛光至纳米表面精度难度极大。从镜坯转变为反射镜，需要靠光学加工、改性和镀膜，不仅国内现有的光学加工设备无法满足要求，国际上也没有可引进的此类装备。

　　怎么办？自己干！