發布時間： 2025-12-17 14:11 來源：科技日報
日前，從中國科學院國家空間科學中心傳來一系列關于“天關”衛星的好消息：發現新型X射線暫現天體，為理解這類神秘暫現天體提供關鍵線索；探測到銀河系內X射線暗弱爆發天體，為人類發現恒星級黑洞開辟新途徑……
浩瀚蒼穹中，那些遙遠、暗弱又轉瞬即逝的宇宙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”衛星具備的重要特點。
“取得這些發現，主要歸功于我們為‘天關’衛星量身定制的微孔龍蝦眼X射線聚焦成像技術。”中國科學院國家天文臺研究員、“天關”衛星首席科學家袁為民向科技日報記者介紹，該技術不僅讓衛星具備極大的視場——一次定點觀測即可覆蓋約十一分之一天區，還大幅提升了衛星的探測靈敏度和定位精度，讓其性能遠超國際同類設備。
細磨“廣角鏡”
為什么要給衛星裝上“龍蝦眼”？這就要從龍蝦的眼睛說起。
中國科學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，里面有無數細小的方管，管壁光滑，且全部指向同一個中心。光線射入后，經管壁反射，能精準聚焦到視網膜上。
美國天文學家基于此提出設想：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，這一設想始終未能實現。
“主要原因是技術難度太大。”張臣解釋，X射線的能量極高，很容易穿透觀測設備，無法像可見光那樣，通過反射或折射實現聚焦。因此，想讓“天關”衛星擁有“龍蝦眼”，關鍵是要造出結構類似于龍蝦眼睛的聚焦鏡頭，而鏡頭的核心則是鏡片。
“當時這種鏡片只有法國一家公司能夠生產，可對方不僅報價高昂，還無法保證質量。”張臣告訴記者，“最后我們下定決心，走自主研發這條路！”
恰在這時，團隊曾調研過的北方夜視技術股份有限公司主動上門，提出希望合作研制“龍蝦眼”光學器件。雙方一拍即合，鏡片研制工作駛入快車道。
“著手研發時才知道，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計。”
研發初期，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”：一遍遍優化設計，一次次改進工藝。“那時，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。”張臣已經記不清有多少天在實驗室中徹夜奮戰。
歷時近5年，經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，負責聚焦；鏡頭后側的探測器則宛如視網膜，負責成像。兩者協同工作，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。”中國科學院國家天文臺研究員凌志興說，“這種情況絕不允許發生，我們只能放棄這個方案。”
反復研討后，團隊將目光轉向背照式互補金屬氧化物半導體（CMOS）探測器。這種探測器能將光信號高效轉換為電信號，被廣泛應用于手機、相機等產品領域。但將它用于天文觀測，此前還沒有相關技術支持。
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。“從設計到流片完成，我們不停調整參數、迭代版本，這次用了整整4年。”凌志興坦言，當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。背負著這份壓力和責任，團隊在2021年研制出首批樣品。
與聚焦鏡頭一樣，將CMOS探測器應用在天文觀測上也是一次全新的嘗試，在國內外尚無成功在軌運用的先例。為確保技術可靠，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探測器發生故障。“當時我們都非常緊張，所有人心里都在打鼓——‘天關’衛星還能按時發射嗎？”回想起那一刻，中國科學院上海技術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’衛星發射就將遙遙無期了”。
萬幸的是，經過一輪又一輪嚴謹細致的分析排查，團隊最終確定，故障由一個與成像儀通過地球極區軌道相關的特殊事件和器件偶發缺陷所引起，CMOS探測器本身完全可靠。有了這個結論，大家長吁一口氣，“天關”衛星距離發射又近了一步。
打造“蓮花臺”
“龍蝦眼”研制基本完成，如何將它安裝在“天關”衛星上，充分發揮它的作用，則是最后一道關。事實上，團隊在開展“龍蝦眼”望遠鏡研制的同時，就已經在同步設計和研發搭載望遠鏡的衛星平臺。
“衛星平臺研制首先要攻克快速通信難題。”中國科學院微小衛星創新院研究員蔡志鳴告訴記者，“天關”衛星捕捉到的X射線信號轉瞬即逝，必須及時下傳，才能引導其他設備開展后隨觀測。但傳統的通信方式依賴地面站，因此會受地面站位置限制，難以實現分鐘級的信息傳遞。
經過大量論證，團隊提出了一個大膽構想：基于北斗短報文系統，構建覆蓋全球的低軌科學衛星實時通信網絡。這一構想看似簡單，但落地卻困難重重。
團隊首先要解決在姿態、速度劇烈變化時，衛星如何保持信號穩定的問題；此外還得為衛星設計一套聰明的“反射神經”，讓其在調整姿態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。”蔡志鳴細數團隊一路走來的不易。
經過兩年的攻堅，衛星平臺與地面快速通信難題終于被攻克。可還沒等團隊稍作喘息，另一大難題隨即出現——“天關”衛星要搭載12臺“龍蝦眼”望遠鏡和2臺后隨X射線望遠鏡，如何在有限空間內實現最優布局，從而實現最大觀測效能？
立項之初，團隊就在視場、力學、散熱等關鍵問題上反復推敲，光是構型設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。”蔡志鳴感慨。
不斷嘗試后，團隊決定采用三維空間桁架+支架的全新結構。這就像為衛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，在太空中優雅綻放。
如今，經過一年多的運行，“天關”衛星取得了多項獨有重大成果，已探測到160多例暫現天體，并引導全球各大空間和地面望遠鏡跟進觀測。“‘天關’衛星取得的成果，已經展現出它發現新天體和新現象的卓越能力。”袁為民說，“未來它一定會獲得更多關于動態宇宙的新發現，持續刷新人類對動態宇宙的認知。”
責任編輯：張澤國
審 核：董雪婷
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