有这样一个团队，攻克了自由曲面光学系统制前列，再次促使我国空间相机性能的跨越升级。
有这样一个团队，让我国在大口径光学制造领域的制造能力跻身世界前列，打破了少数西方国家的垄断。项目的研究成果即将应用于国家一系列重大工程项目中，对我国的基础科研、防灾减灾、公共安全、国家安全等具有重要战略意义。
他们就是以光学系统先进制造技术总体负责人、团队首席科学家张学军研究员为首的“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）4m量级高精度SIC非球面反射镜集成制造团队”。
团队奋战 挑战“不可能”
张学军团队，与近年来我国一系列科技方面的技术突破紧密相连。
2018年6月，高分六号卫星发射成功，其中高分六号宽幅相机创新性采用了自由曲面超大视场离轴全反射光学系统，使相机在16米地面像元分辨率情况下，幅宽超过850公里，张学军带领团队，攻克了自由曲面光学系统制造技术，再次促使我国空间相机性能的跨越升级。
2018年8月，张学军任项目负责人的“4m量级高精度SiC非球面反射镜集成制造系统”在长春光机所通过验收。验收专家组认为该系统性能达到国际领先水平，使我国在大口径光学制造领域的制造能力跻身世界前列，打破了少数西方国家的垄断，项目的研究成果即将应用于国家一系列重大工程项目中，对我国的基础科研、防灾减灾、公共安全、国家安全等具有重要战略意义。
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，想要使光学系统的观测能力不断提升，都离不开一个关键——口径。
“当时我们立项的能力在500毫米或1米的量级，可实际操作上直接瞄准了4米量级，这在现在看来仍旧是一个几乎不可能的挑战。”张学军说，4米量级口径用碳化硅制成有相当大的挑战，这条路走起来的确很艰辛。
就这样，在张学军的牵头与号召下，不同领域、各怀专长的专家、学者从四面八方甚至五湖四海聚集到一起，用智慧和汗水创造出了一个又一个振奋人心的成果。
夜以继日，张学军团队经过反复实验验证，从光学加工方面，先后研制出四代具有自主知识产权的大口径非球面加工中心，技术指标与公开报道的国际最高水平相当。建立了基于模糊综合评判理论的CCOS抛光模型，使面形误差的收敛效率及加工精度得以提高。首次将表面误差的PSD评价方法应用到CCOS加工过程中，有效消除表面残差，有关论文发表在国际核心刊物Optical Engineering上。对CCOS研磨阶段的误差数据处理方法及加工过程进行优化，提出局部线性插值模型取代传统的Zernike多项式拟合模型，大幅提高效率。在理论分析的基础上推导出控制边缘材料去除量的修正方程，开展克服边缘效应的工艺实验，使CCOS加工过程中的“边缘效应”这一国际性难题得以解决。
在先进光学系统制造方面，突破了离轴非球面复合检验、复杂光学系统装调技术，使空间相机同时实现了高分辨与大视场成像，使我国成为继美、法之后第三个掌握离轴三反光学系统制造技术的国家，推动了我国空间遥感光学系统详普查技术的升级和跨越发展。取得系列创新成果，应用于“遥感八号”“快舟一号”“高分八号”等重大任务中，水平达到国内领先、国际先进。
2018年8月21日，中科院长春光机所研制的4.03米大口径碳化硅反射镜成功通过验收，这是公开报道的世界上最大口径碳化硅单体反射镜，这一成果标志我国光学系统制造能力跻身国际先进水平，为我国大口径光电装备跨越升级奠定了坚实基础。
如铁团队 俯首十年铸造“成功”
在张学军看来，他们的团队在做的是“科学”而非“科技”，“基础科学研究是一个甘苦自知的漫长过程，也是积累的过程。从自由探索到深入研究，再到实验阶段，积累到一定程度之后，出成果就是水到渠成的事情了。”做研究不能有功利心，在他们眼里4米量级大口径碳化硅望远镜充满魅力。
面对科研之路，张学军自信而清醒，“科学是有固有定律的，做一件事儿要是能顺利成功，那肯定不值得骄傲。”
除了吃饭、睡觉和外出参加学术会议，张学军和团队成员大部分时间都是在实验楼度过的。“跟我们大多数科研人员一样，要有不怕吃苦的信心，同时对自己有修正能力，更要不忘初心，坚定的走下去。”张学军说，“我们团队里多数是年轻人，甚至有很多90后，十年如一日，几乎都是加班加点过来的，搞科研就应该有热爱和奉献的精神。另外，科学研究枯燥无味，胚料成型过程，从准备到烧结出来，发现没有成功，要一年多的时间，我们有四次的失败，相当于要在四五年的时间里“煎熬”，但即便是痛苦的，但在失败中总结了非常宝贵的经验。
张学军以及他的研究团队，给了中国乃至世界一个大大的惊叹号！秘诀是什么？“很简单，不懈努力+不惧失败。”
正如张学军常说的那句话一样：干一个工作，如果不热爱它肯定不能成功，但热爱一定是成功的必然条件……
三步“炼”就4米“大眼睛”
制造碳化硅反射镜的第一步也是最基础的，就是将碳化硅粉末烧制成整体的反射镜镜坯。“对于大型的光学望眼镜来说，最核心的部分就是它的主反境，这个主反境的口径大小决定了成像的质量，以前用传统的光学玻璃来做主反境的材料，现在碳化硅成为一种新型材料来实现工程化应用。”张学军说，这种高精度面形的保持正是依赖于反射镜“强健的筋骨”——碳化硅陶瓷镜坯，它对于望远镜稳定的高质量成像至关重要。
据了解，国际上常用的反射镜基体材料有石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金属铍，以及碳纤维/碳化硅复合材料等。与其他材料相比，碳化硅具有更大的比刚度（E/ρ）和热稳定性(λ/α)，这使得在实现同样的光学口径和精度要求下，碳化硅反射镜具有更小的重量和更优的热稳定性，因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者。
有了4米量级的碳化硅镜坯，虽然为研制4米口径反射镜奠定了坚实基础，但后面挑战仍十分艰巨：一方面反射镜面积大幅提升、而碳化硅材料本身硬度极高，给加工方法带来新挑战；另一方面由于碳化硅是一种陶瓷材料，在光学粗抛光后表面有细微缺陷、影响反射率等光学性能，需要通过后续工艺改进表面特性。为突破4米大口径加工，长春光机所运用计算机控制光学表面成形（CCOS）技术，通过采用“应力盘”抛光、磁流变抛光等组合加工技术，大幅度提高了非球面的制造精度和效率；同时采用摆臂轮廓仪检测、光学零位补偿干涉测量等先进检测技术，实现对4米反射镜的原位检测。最终，实现了4米大口径非球面反射镜的高精度光在镜面材料缺陷改性方面，采用等离子辅助低温物理气相沉积（PIAD）方法，在碳化硅反射镜表面镀制Si改性层，然后进行面形精加工后，最终在4米反射镜表面镀制反射增强膜，使其反射率最终达到光学系统要求。
此外，围绕反射镜研制流程，项目完成了三个子系统、十余套加工检测设备研制，全部自主掌握知识产权。其中4米量级反应烧结炉、FSGJ-4型非球面数控光学加工中心、4米量级大型磁控溅射镀膜机三套核心装备达到国内领先水平。
漫漫科学路攀援从未停止
4米量级碳化硅反射镜研制成功，这一成果的取得，也凝结了众多科研人员十几年的心血。
在世界上，大口径反射镜镜坯制造和反射镜加工技术一直被美国、法国、德国等少数西方国家掌握。为了打破垄断，早在20世纪90年代末，长春光机所就已布局光学级碳化硅陶瓷材料研究。研究团队耗时十余年、经历数百次实验探索与工艺验证，先后突破1米口径碳化硅反射镜镜坯、2米口径碳化硅反射镜镜坯，最终在2016年成功研制出4米口径碳化硅镜坯。
在镜坯材料研制技术突破的同时，反射镜加工制造及其工程化应用的研究脚步也从未停止。2015年，2米口径反射镜完成研制；2017年，2米口径反射镜完成实际工程应用。反射镜加工制造技术与大口径光电装备研制，始终紧密联系、互相促进，使核心制造技术的掌握及时转化为科研装备实力。
与此同步，围绕着大口径反射镜制造的工艺路线，一整套完整的、具有完全自主知识产权的加工、检测装备也同步开发完成，使大口径反射镜制造的全部核心技术真正掌握自己手中。
成就面前，张学军团队仍没有停下探索的脚步，他们一如既往，兢兢业业的战斗在科研一线，为我国新型光学遥感技术的跨越式发展继续做出新的贡献。
中国吉林网 吉刻APP记者 贾子尧 文/图
