给中国“千里眼”造最大“角膜”：相当于把北京五环内地面平整到高低差小于1毫米

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给中国“千里眼”造最大“角膜”：相当于把北京五环内地面平整到高低差小于1毫米

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2024-06-19 09:10:15 字号：A- A A+ 来源：中国科学报

中国神话故事中的能人异士“一目千里”，17世纪伽利略发明第一台光学望远镜探寻宇宙的奥秘……千百年来，人类一直有追逐视觉极限的梦想。

如果把光学望远镜比作人类的“千里眼”，那么光学望远镜中的主反射镜就是“角膜”。主反射镜口径越大，光学望远镜的空间分辨率越高。

把一块1米口径的反射镜安装到空间相机中，可以在几百公里的高空看到地面上汽车的轮廓。如果把反射镜口径加大到4米，则可以清晰地看到汽车的天窗、后视镜等。反射镜口径为2.4米的哈勃空间望远镜，可探测到134亿光年外宇宙大爆炸时的宇宙信号。

全世界大大小小的光学望远镜的反射镜中，采用碳化硅材质、口径最大的那一块来自中国。

长期以来，各国都将米级及以上口径反射镜作为战略物资。“买不到又必须用，把我们逼上了自主创新这条路。”中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称长春光机所）所长张学军说，这一“逼”竟让他们制造出了全球最大口径高精度碳化硅光学反射镜。

下决心做“全球最大”

“原来碳化硅的性能竟比玻璃好这么多。”1996年，时任长春光机所奥普光学材料事业部主任赵文兴在俄罗斯瓦维洛夫国家光学研究院访问，看到碳化硅反射镜的那一刻异常振奋，感到“身体中每个细胞都被调动了起来”。

大口径反射镜通常采用玻璃、碳化硅、金属铍制作，究竟哪个才是最优选择？20世纪70年代，美国、法国等率先实现了碳化硅反射镜光学应用。其中，最具代表性的法国BOOSTEC公司，以制造的碳化硅反射镜应用于盖亚、赫歇尔、欧几里德等望远镜而闻名。

长春光机所自建所以来一直研究玻璃反射镜制造。赵文兴此行所见的碳化硅反射镜，其材料综合性能远优于玻璃、金属铍等，显然是更适合的材质。然而，碳化硅本身为陶瓷材料，再加上硬度高，仅次于已知最硬的金刚石，用其制造反射镜难度很大。从俄罗斯回来，他马上向所领导汇报了相关情况。

由于空间对地观测的敏感性，我国一度只能从国外购买口径1米以下的“小镜子”。科研人员希望早日实现大口径反射镜“中国制造”的愿望。

20世纪90年代，我国载人航天工程立项，急需大口径离轴非球面反射镜。当时国外断言：“中国根本加工不出离轴非球面，即使加工出来也组装不出离轴非球面光学系统。”留学回国不久的张学军与翁志成、余景池等老一辈科学家，顶住压力开发了国内首台光学数控加工机床，并掌握了离轴非球面制造技术，将其应用于反射镜光学加工。

经过十余年艰苦攻关，2008年，长春光机所团队研制出我国首套具有自主知识产权的0.7米量级碳化硅反射镜。当时，世界上应用于可见光望远镜的碳化硅反射镜最大口径为1.5米量级，由BOOSTEC公司制造。“我们最初的思路是做到米级，先解决有无的问题，并没想做全球最大。”张学军说。

然而，国家的重大需求让科研人员来不及多想。2009年9月，国家重大科研装备研制项目启动，张学军和时任长春光机所光学中心主任高劲松、副主任郑立功把大家召集到一起，宣布将研发4米碳化硅反射镜。

“什么？4米！”所有人都明白，这是碳化硅反射镜口径的全球之最。

但现实问题是，在国内外相关技术、装备、经验基本为零的情况下，把4米碳化硅反射镜做出来，不仅要突破镜坯制备、光学加工与检测、改性与镀膜等关键技术，还要自主设计研发全链路集成制造系统，没有人敢拍胸脯说“一定能成功”。

“我们要发扬老一辈科学家‘敢打敢拼，没有条件也要创造条件干’的精神，啃下这块国际上还没人啃下的‘硬骨头’。”最后，高劲松、郑立功带头表态，鼓励大家大胆假设、充分论证，形成了4米碳化硅反射镜全链路制造系统的技术方案。

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