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2019-01-09 17:27
它打破了马航残骸的谣言,却意外暴露了我国的隐藏实力

出品:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),作者:张舸  SELF格致论道讲坛


如果把大型光学望远镜比作“千里眼”,那么主反射镜就是这只“千里眼”的核心部件——“角膜”。张舸研究员的工作就是给“千里眼”配上“角膜”。随着技术的进步,要求光学仪器的分辨率越来越高,希望光学仪器看得越远,看得越清楚。


为此,张舸研究员和他的团队克服了一系列技术难题,成功研制出世界最大口径的碳化硅反射镜坯,为中国国防建设和空间探测与开发事业的发展,起到了无与伦比的推动作用。


以下内容为张舸演讲实录:

 

我叫张舸,来自中科院长春光机所,今天我报告的题目是:为“千里眼”配“角膜”。

 

400年前,意大利有一个人叫伽利略,他将一个凸透镜和一个凹透镜放在一个光学镜筒上面,发明了世界上第一台望远镜。我们利用这台望远镜可以看到遥远的星空,也开创了人类利用光学仪器来探索整个世界的开端。



这台望远镜相当于为我们配备了“千里眼”,就像葫芦娃一样,使人类的视力得到了极大的增长。“千里眼”的主要元器件,就是刚才我说的两个反射镜,是一种光学材料。我们团队的工作就是为“千里眼”研制光学材料,我们把它比喻成“角膜”。

 

建国之初,为了发展中国的兵工光学仪器和民用光学仪器,在长春建立了仪器馆,首任馆长是“中国光学之父”王大珩先生。建所的时候,王大珩先生看到了光学材料对光学仪器的重要性,便向当时的东北政府申请了40万元的专用经费,邀请当时在上海耀华玻璃厂就职的龚祖同先生一起进行光学玻璃的研制。


左二:龚祖同先生,右一:王大珩先生


得到消息之后,龚祖同先生非常高兴,于1951年来到长春,为光学玻璃的建设进行了基础的配备。由于王大珩先生和龚祖同先生早年在国外求学的专业经历与光学玻璃息息相关,因此,他们大概花了两年的时间就熔炼出国内第一埚光学玻璃。

 

熔炼之后,龚祖同先生心情非常舒畅,从这段话中我们可以看到,他喜悦的心情溢于言表,而且对光学玻璃非常重视。



下图就是中国的第一埚光学玻璃,它被加工成很多光学镜片,应用在光机所引以自豪的“八大件”上。



“八大件”是我们光机研制的一些光学仪器,应用在两弹一星以及其他科研工作中。



下面的图非常模糊,是当时熔炼光学玻璃的厂房和一些设备。虽然这幅图比较模糊,但我们还是可以看到当时的工作条件是非常艰苦的。在这么艰苦的条件下,我们老一辈的科学家为中国创造了许多的第一。为此,我们向他们表示致敬。

 


但是,随着社会的发展、技术的进步,对光学仪器的分辨率要求越来越高,我们希望光学仪器能看得更远,看得更清楚,这对光学材料提出了更高的要求,要求它的口径越来越大。


为什么要求口径大?因为口径大,可以让我们看得更远,看得更清楚。大家看这几张图片,这些是我们在同一高度,用不同口径的反射镜看到的图片效果:用0.5米口径的反射镜,看到的图片非常模糊,相当于在光学仪器面前放了一块毛玻璃,什么也看不清楚。



用1米口径的光学仪器看物体,基本上能分辨一些信息,但是还不是很满意;



2米口径是这样的状态;



如果用4米口径的光学仪器来探测同样的事物,清晰度非常好,而且把照片放大,甚至可以看到汽车的一些细节,比如天窗、后视镜等。



所以,从瑞利判据来看,一个光学仪器的极限分辨角与它的口径成反比,口径越大,它的极限分辨角越小,我们看到的物体就越清楚,而且可以看到更远的物体

 

对于光学材料,如光学玻璃这种透射式的材料,随着口径的增大,内应力消除非常困难,因此,在20世纪5、60年代,光学玻璃慢慢被淘汰,发展出一些反射式的光学材料,其中就包括今天我所说的碳化硅陶瓷。


为什么碳化硅陶瓷得到了大家的认同?它有几个优势:第一,碳化硅陶瓷重量非常轻,用专业的术语来说,就是碳化硅陶瓷的比刚度非常大,是玻璃的近四倍。


轻的优势带来什么好处呢?下图左边是哈勃望远镜2.4米口径的主反射镜,由于它采用玻璃材料,所以重量达928千克。如果选用碳化硅材料,那么它的重量只有200多千克。



如果我们用相同的火箭去发射哈勃望远镜,可以发射四个选用碳化硅陶瓷制备的望远镜,这样一方面能够降低发射费用,另一方面可以提高发射效率。目前一弹多星能够发射成功,一方面得益于火箭技术的进步,另一方面得益于光学仪器对先进材料的选择。


第二,碳化硅陶瓷的导热率非常大,大概是玻璃的100多倍。我们做个比喻,热量在碳化硅陶瓷中的传播速度就像高铁一样迅速。这样,碳化硅陶瓷反射镜的均匀性是能够保证的。

 

碳化硅陶瓷很快能够实现温度平稳,而对玻璃来说长时间也很难达到这样一个比较理想的状态。但是,任何事物都是有两面性的,碳化硅也不例外。


它的弱势有两点:一是它的硬度非常高,如果采用摩氏硬度来评价,金刚石的硬度值大概是10,碳化硅的硬度是9.5以上,碳化硅的硬度仅次于金刚石。如果要把碳化硅陶瓷打磨成一个反射镜,只能选用金刚石材料,那么,便会带来成本的提高和加工效率的降低。

 

二是碳化硅陶瓷加工到一定精度的难度非常大,并且其精度要求非常高。如果把一个1.5米口径的碳化硅反射镜加工到所需要的精度,相当于我们开着压路机,对整个北京市的地面做一个平整。



从东北角的顺义到西南角的房山,61公里的范围内,它的精度值需要达到多少? 0.5毫米以下。相当于从顺义到房山的61公里的范围之内,地面的高低起伏,不能高于五张A4纸叠起来的厚度。


这个难度,大家可以想象是非常难的。基于这种难度,大家对材料也有了另外一些认识,它的综合性能吸引了很多科学家去做更深一步的探讨,这其中就包括我的老师赵文兴研究员。


左:赵文兴先生  右:王大珩先生


1983年,他师从王大珩院士,也是王大珩院士的第一批博士生。1988年左右毕业后,赵文兴老师留所跟王大珩院士一起进行了光学材料精密退火工艺以及理论方面的研究工作。

 

随着时间的推移,光学玻璃受到了一些限制,我的老师在将近50岁的时候,毅然决然从光学玻璃转移到光学陶瓷领域。当时我刚进入研制团队,研制团队人员非常少,大概有五个人。



当时我对赵老师的转行非常疑惑,于是问他为什么要转行?赵老师说,他认为陶瓷材料的发展非常迅猛,而且大有代替光学玻璃的趋势。

 

当时他带领着我们几个人进行碳化硅陶瓷的研制工作。在这里,我给大家介绍两个内容,一是素坯的研制,当时国际上选用的是素坯压制加机压的方法。


这种方法存在的最大问题就像做月饼一样,从做一个小尺寸的月饼,到做一个大尺寸月饼的过程中,月饼的内应力发生改变,月饼的形状非常难保证。素坯压制加机压的方法就存在形状难以保证的情况。


我们选择做豆腐的方式,把经过点卤的浆料注入到模具当中,然后点过卤的浆料从流动的浆料状态变成胶体状态,最后成为需要的形状,不管多大尺寸,其形式和工艺都是一致的。



二是它的致密化,只有致密的材料才能够加工成我们所需要的光学反射面。在这个过程中采取的工艺是烧结收缩工艺,打个比方,比如一块海绵,是多孔的状态,想让它致密就需要把它像压缩饼干一样压紧,最终从一个手掌大的海绵变成了可能只有手指头大的一个固体。这个过程出现的最大问题是什么?它的烧结收缩大概达到了20%,在这个过程当中可能会出现一些变形或者是开裂。


我们当时经过很多讨论,排除了很多方案,最终确定了方案。当时在方案制定的时候,实际上我们是受到了一个禅师故事的启发。


故事的内容大概是:一个禅师和一个信徒聊天,他抓了一把石头装到杯子里面,装满后问信徒:杯子满了没有?信徒说肯定满了。这时,禅师又抓了一把沙子慢慢地装进杯子,他又问信徒杯子满了没有?这时候,信徒就不太自信了,想了一会儿,说这次应该是满了,但是,这时候禅师又拿了一杯水,慢慢地倒进了杯子,之后再问信徒,信徒就不敢回答了。

 

从这个禅师的故事里,我们得到的启示是一个物体的致密化烧结不一定要靠收缩来完成。我们可以通过填充的方式使它致密,就像禅师装了石子,又装了沙子,最后又装水的过程。当然在填充物体的选择,包括它的界面设计、工艺的优化方面,也是非常有难度的。


基于16年的研究,我们现在完成了大尺寸碳化硅反射镜的工艺研制,而且也建立了大尺寸碳化硅反射镜平台的研究。现在,我们所研究的碳化硅陶瓷应用在多个型号任务当中,如画面中显示的“吉林一号”。



”吉林一号“是我国自主研发的第一颗高分辨率商用卫星,它的在轨分辨率达到了0.7米。这颗卫星也是我们长春光机所下属公司长光卫星公司研制的,它采用的就是碳化硅陶瓷。


2015年10月7日,它实现了一箭四星的发射,由于采用了碳化硅陶瓷,节约了成本,而且也大大提高了发射效率。

 

它在轨拍摄了很多照片。如图,这是一个港口的照片,我们可以很清楚地分辨船只的大小,集装箱的数量,包括拖集装箱的车的分布。



另外在之前马航谣言事件中,长光卫星“吉林一号”也得到了一些应用。当时有谣言说,柬埔寨境内某个经纬度里有马航MH370的残骸。得到消息之后,长光卫星(公司)把“吉林一号”调到了这个位置,并未发现残骸,所以谣言也就不攻自破。



长光卫星——光机所下属的公司,未来规划到2020年有60颗在轨卫星,到2030年有138颗在轨卫星,这样便可以保证世界的任何一个位置,卫星的重复时间小于十分钟,会对我们的生活生产提供非常大的帮助。

 

碳化硅陶瓷也应用在了2米地基望远镜上,2米地基望远镜与云南天文台2.16米望远镜尺寸持平。这台相机已经出所,即将投入使用。

 


另外,我们的相关成果也被应用在2018年7月31日发射的高分十一号卫星当中。

 

如图,这是2016年我们团队与研制成功的4米量级的碳化硅反射镜的合影。



从照片中可以看到这个黑乎乎的东西不像是一块反射镜,当时,我们给它取了个“出土文物”的外号,因为感觉它像从地里挖出来的。


这件事的完成也经历了非常坎坷的研制周期,研制过程我们付出非常多的心血。经过两年的加工,这块反射镜已经完成了最终的表面加工和改性。2018年8月,这块反射镜完成了项目验收。这块反射镜最终也会被应用在我们地基大型光学光电系统当中。


随着这块反射镜研制成功,我的老师赵文兴研究员也完成了他整个碳化硅的研制生涯,功成名就退居二线,把接力棒交到了我的手里。作为光学材料领域的接班人,我也会带领我们团队,发扬我们长光老一辈科学家的精神,把中国的光学材料事业继续发展下去,为中国光学仪器的发展贡献一份自己的力量,谢谢大家。


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。



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