發(fā)布時間： 2025-12-17 14:11 來源：科技日報
日前，從中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心傳來一系列關(guān)于“天關(guān)”衛(wèi)星的好消息：發(fā)現(xiàn)新型X射線暫現(xiàn)天體，為理解這類神秘暫現(xiàn)天體提供關(guān)鍵線索；探測到銀河系內(nèi)X射線暗弱爆發(fā)天體，為人類發(fā)現(xiàn)恒星級黑洞開辟新途徑……
浩瀚蒼穹中，那些遙遠、暗弱又轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙X射線，是人類探秘宇宙的重要線索。要想捕捉這些射線，必須擁有能看得廣、看得遠、看得清的“眼睛”，而這正是“天關(guān)”衛(wèi)星具備的重要特點。
“取得這些發(fā)現(xiàn)，主要歸功于我們?yōu)椤礻P(guān)’衛(wèi)星量身定制的微孔龍蝦眼X射線聚焦成像技術(shù)?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺研究員、“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家袁為民向科技日報記者介紹，該技術(shù)不僅讓衛(wèi)星具備極大的視場——一次定點觀測即可覆蓋約十一分之一天區(qū)，還大幅提升了衛(wèi)星的探測靈敏度和定位精度，讓其性能遠超國際同類設(shè)備。
細(xì)磨“廣角鏡”
為什么要給衛(wèi)星裝上“龍蝦眼”？這就要從龍蝦的眼睛說起。
中國科學(xué)院國家天文臺研究員張臣介紹，龍蝦的眼睛擁有廣闊的視野和獨特的聚焦機制，里面有無數(shù)細(xì)小的方管，管壁光滑，且全部指向同一個中心。光線射入后，經(jīng)管壁反射，能精準(zhǔn)聚焦到視網(wǎng)膜上。
美國天文學(xué)家基于此提出設(shè)想：模仿龍蝦的眼睛，研制一臺既可覆蓋大視場又能聚焦的X射線望遠鏡。但幾十年過去，這一設(shè)想始終未能實現(xiàn)。
“主要原因是技術(shù)難度太大。”張臣解釋，X射線的能量極高，很容易穿透觀測設(shè)備，無法像可見光那樣，通過反射或折射實現(xiàn)聚焦。因此，想讓“天關(guān)”衛(wèi)星擁有“龍蝦眼”，關(guān)鍵是要造出結(jié)構(gòu)類似于龍蝦眼睛的聚焦鏡頭，而鏡頭的核心則是鏡片。
“當(dāng)時這種鏡片只有法國一家公司能夠生產(chǎn)，可對方不僅報價高昂，還無法保證質(zhì)量。”張臣告訴記者，“最后我們下定決心，走自主研發(fā)這條路！”
恰在這時，團隊曾調(diào)研過的北方夜視技術(shù)股份有限公司主動上門，提出希望合作研制“龍蝦眼”光學(xué)器件。雙方一拍即合，鏡片研制工作駛?cè)肟燔嚨馈?/p>
“著手研發(fā)時才知道，鏡片的精度要求有多高。”張臣伸出手指比劃，“4厘米×4厘米的面積上要集成近100萬個方孔，每個方孔的排列方向都需要精確設(shè)計?！?/p>
研發(fā)初期，團隊制出的鏡片性能很差，連X射線成像都很困難，完全無法投入應(yīng)用。再到后來，鏡片雖然能成像了，分辨率卻遠達不到要求，甚至連聚焦的“十字形”都看不清。
面對這樣的困境，團隊只能“死磕”：一遍遍優(yōu)化設(shè)計，一次次改進工藝?！澳菚r，我們壓力非常大，覺都睡不好，但大家都憋著一股勁，一定要把它做好?！睆埑家呀?jīng)記不清有多少天在實驗室中徹夜奮戰(zhàn)。
歷時近5年，經(jīng)過團隊日積月累的打磨，最終將鏡片分辨率從十幾角分逐步提升至3角分。有了可靠的鏡片，接下來的問題迎刃而解，“龍蝦眼”望遠鏡的鏡頭被成功研制出來。
定制“視網(wǎng)膜”
如果將“龍蝦眼”望遠鏡比作人眼，那么它的前置鏡頭就如同晶狀體，負(fù)責(zé)聚焦；鏡頭后側(cè)的探測器則宛如視網(wǎng)膜，負(fù)責(zé)成像。兩者協(xié)同工作，才能清晰捕捉宇宙X射線影像。
“龍蝦眼”的聚焦鏡頭有了，下一步就該考慮用哪種探測器。
“最初我們選擇的是氣體探測器，花了兩年時間才讓技術(shù)基本成熟。但有個致命問題始終無法解決，就是在受到撞擊時，探測器極易因氣體泄漏而失效。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員凌志興說，“這種情況絕不允許發(fā)生，我們只能放棄這個方案?！?/p>
反復(fù)研討后，團隊將目光轉(zhuǎn)向背照式互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）探測器。這種探測器能將光信號高效轉(zhuǎn)換為電信號，被廣泛應(yīng)用于手機、相機等產(chǎn)品領(lǐng)域。但將它用于天文觀測，此前還沒有相關(guān)技術(shù)支持。
2017年，團隊又一次從頭開始，正式啟動天文級CMOS探測器的研制工作?！皬脑O(shè)計到流片完成，我們不停調(diào)整參數(shù)、迭代版本，這次用了整整4年。”凌志興坦言，當(dāng)時團隊沒有其他備份方案，這也意味著探測器研制一旦失敗，整個項目都可能停滯。背負(fù)著這份壓力和責(zé)任，團隊在2021年研制出首批樣品。
與聚焦鏡頭一樣，將CMOS探測器應(yīng)用在天文觀測上也是一次全新的嘗試，在國內(nèi)外尚無成功在軌運用的先例。為確保技術(shù)可靠，2022年，團隊將“龍蝦眼”望遠鏡的實驗樣機——龍蝦眼X射線天文成像儀送入太空，開展在軌測試。
不料半年后，其中兩個CMOS探測器發(fā)生故障。“當(dāng)時我們都非常緊張，所有人心里都在打鼓——‘天關(guān)’衛(wèi)星還能按時發(fā)射嗎？”回想起那一刻，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所副研究員孫小進至今仍心有余悸。
團隊迅速組織專家反復(fù)研討，同步開展大量實驗，全力排查故障。孫小進告訴記者，那時候團隊的每個人都拼盡全力，“如果問題解決不了，‘天關(guān)’衛(wèi)星發(fā)射就將遙遙無期了”。
萬幸的是，經(jīng)過一輪又一輪嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的分析排查，團隊最終確定，故障由一個與成像儀通過地球極區(qū)軌道相關(guān)的特殊事件和器件偶發(fā)缺陷所引起，CMOS探測器本身完全可靠。有了這個結(jié)論，大家長吁一口氣，“天關(guān)”衛(wèi)星距離發(fā)射又近了一步。
打造“蓮花臺”
“龍蝦眼”研制基本完成，如何將它安裝在“天關(guān)”衛(wèi)星上，充分發(fā)揮它的作用，則是最后一道關(guān)。事實上，團隊在開展“龍蝦眼”望遠鏡研制的同時，就已經(jīng)在同步設(shè)計和研發(fā)搭載望遠鏡的衛(wèi)星平臺。
“衛(wèi)星平臺研制首先要攻克快速通信難題。”中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新院研究員蔡志鳴告訴記者，“天關(guān)”衛(wèi)星捕捉到的X射線信號轉(zhuǎn)瞬即逝，必須及時下傳，才能引導(dǎo)其他設(shè)備開展后隨觀測。但傳統(tǒng)的通信方式依賴地面站，因此會受地面站位置限制，難以實現(xiàn)分鐘級的信息傳遞。
經(jīng)過大量論證，團隊提出了一個大膽構(gòu)想：基于北斗短報文系統(tǒng)，構(gòu)建覆蓋全球的低軌科學(xué)衛(wèi)星實時通信網(wǎng)絡(luò)。這一構(gòu)想看似簡單，但落地卻困難重重。
團隊首先要解決在姿態(tài)、速度劇烈變化時，衛(wèi)星如何保持信號穩(wěn)定的問題；此外還得為衛(wèi)星設(shè)計一套聰明的“反射神經(jīng)”，讓其在調(diào)整姿態(tài)后能瞬間重新連上北斗信號。“常常是剛解決一個老問題，又冒出一個新麻煩?！辈讨绝Q細(xì)數(shù)團隊一路走來的不易。
經(jīng)過兩年的攻堅，衛(wèi)星平臺與地面快速通信難題終于被攻克?？蛇€沒等團隊稍作喘息，另一大難題隨即出現(xiàn)——“天關(guān)”衛(wèi)星要搭載12臺“龍蝦眼”望遠鏡和2臺后隨X射線望遠鏡，如何在有限空間內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)布局，從而實現(xiàn)最大觀測效能？
立項之初，團隊就在視場、力學(xué)、散熱等關(guān)鍵問題上反復(fù)推敲，光是構(gòu)型設(shè)計就迭代了不下十輪。“白板上的草圖擦了又畫、畫了又擦，不知道改了多少遍?！辈讨绝Q感慨。
不斷嘗試后，團隊決定采用三維空間桁架+支架的全新結(jié)構(gòu)。這就像為衛(wèi)星搭建了一個堅固而靈活的骨架，一舉解決了14臺望遠鏡的布局與視場拼接難題。整體構(gòu)型中，12臺“龍蝦眼”望遠鏡宛如一朵12瓣蓮花，2臺后隨X射線望遠鏡就像蓮花的花蕊，在太空中優(yōu)雅綻放。
如今，經(jīng)過一年多的運行，“天關(guān)”衛(wèi)星取得了多項獨有重大成果，已探測到160多例暫現(xiàn)天體，并引導(dǎo)全球各大空間和地面望遠鏡跟進觀測。“‘天關(guān)’衛(wèi)星取得的成果，已經(jīng)展現(xiàn)出它發(fā)現(xiàn)新天體和新現(xiàn)象的卓越能力?！痹瑸槊裾f，“未來它一定會獲得更多關(guān)于動態(tài)宇宙的新發(fā)現(xiàn)，持續(xù)刷新人類對動態(tài)宇宙的認(rèn)知?！?/p>
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