發(fā)布時(shí)間： 2025-12-17 14:11 來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
日前，從中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心傳來(lái)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(xiàn)暫現(xiàn)天體，為理解這類(lèi)神秘暫現(xiàn)天體提供關(guān)鍵線(xiàn)索；探測(cè)到銀河系內(nèi)X射線(xiàn)暗弱爆發(fā)天體，為人類(lèi)發(fā)現(xiàn)恒星級(jí)黑洞開(kāi)辟新途徑……
浩瀚蒼穹中，那些遙遠(yuǎn)、暗弱又轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙X射線(xiàn)，是人類(lèi)探秘宇宙的重要線(xiàn)索。要想捕捉這些射線(xiàn)，必須擁有能看得廣、看得遠(yuǎn)、看得清的“眼睛”，而這正是“天關(guān)”衛(wèi)星具備的重要特點(diǎn)。
“取得這些發(fā)現(xiàn)，主要?dú)w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(xiàn)聚焦成像技術(shù)。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家袁為民向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，該技術(shù)不僅讓衛(wèi)星具備極大的視場(chǎng)——一次定點(diǎn)觀測(cè)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(cè)靈敏度和定位精度，讓其性能遠(yuǎn)超國(guó)際同類(lèi)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(shuō)起。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張臣介紹，龍蝦的眼睛擁有廣闊的視野和獨(dú)特的聚焦機(jī)制，里面有無(wú)數(shù)細(xì)小的方管，管壁光滑，且全部指向同一個(gè)中心。光線(xiàn)射入后，經(jīng)管壁反射，能精準(zhǔn)聚焦到視網(wǎng)膜上。
美國(guó)天文學(xué)家基于此提出設(shè)想：模仿龍蝦的眼睛，研制一臺(tái)既可覆蓋大視場(chǎng)又能聚焦的X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡。但幾十年過(guò)去，這一設(shè)想始終未能實(shí)現(xiàn)。
“主要原因是技術(shù)難度太大。”張臣解釋?zhuān)琗射線(xiàn)的能量極高，很容易穿透觀測(cè)設(shè)備，無(wú)法像可見(jiàn)光那樣，通過(guò)反射或折射實(shí)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(lèi)似于龍蝦眼睛的聚焦鏡頭，而鏡頭的核心則是鏡片。
“當(dāng)時(shí)這種鏡片只有法國(guó)一家公司能夠生產(chǎn)，可對(duì)方不僅報(bào)價(jià)高昂，還無(wú)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(shí)，團(tuán)隊(duì)曾調(diào)研過(guò)的北方夜視技術(shù)股份有限公司主動(dòng)上門(mén)，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?chē)道。
“著手研發(fā)時(shí)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(wàn)個(gè)方孔，每個(gè)方孔的排列方向都需要精確設(shè)計(jì)。”
研發(fā)初期，團(tuán)隊(duì)制出的鏡片性能很差，連X射線(xiàn)成像都很困難，完全無(wú)法投入應(yīng)用。再到后來(lái)，鏡片雖然能成像了，分辨率卻遠(yuǎn)達(dá)不到要求，甚至連聚焦的“十字形”都看不清。
面對(duì)這樣的困境，團(tuán)隊(duì)只能“死磕”：一遍遍優(yōu)化設(shè)計(jì)，一次次改進(jìn)工藝。“那時(shí)，我們壓力非常大，覺(jué)都睡不好，但大家都憋著一股勁，一定要把它做好。”張臣已經(jīng)記不清有多少天在實(shí)驗(yàn)室中徹夜奮戰(zhàn)。
歷時(shí)近5年，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)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(lái)的問(wèn)題迎刃而解，“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的鏡頭被成功研制出來(lái)。
定制“視網(wǎng)膜”
如果將“龍蝦眼”望遠(yuǎn)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(cè)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(xiàn)影像。
“龍蝦眼”的聚焦鏡頭有了，下一步就該考慮用哪種探測(cè)器。
“最初我們選擇的是氣體探測(cè)器，花了兩年時(shí)間才讓技術(shù)基本成熟。但有個(gè)致命問(wèn)題始終無(wú)法解決，就是在受到撞擊時(shí)，探測(cè)器極易因氣體泄漏而失效。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員凌志興說(shuō)，“這種情況絕不允許發(fā)生，我們只能放棄這個(gè)方案。”
反復(fù)研討后，團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向背照式互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）探測(cè)器。這種探測(cè)器能將光信號(hào)高效轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、相機(jī)等產(chǎn)品領(lǐng)域。但將它用于天文觀測(cè)，此前還沒(méi)有相關(guān)技術(shù)支持。
2017年，團(tuán)隊(duì)又一次從頭開(kāi)始，正式啟動(dòng)天文級(jí)CMOS探測(cè)器的研制工作。“從設(shè)計(jì)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(shí)團(tuán)隊(duì)沒(méi)有其他備份方案，這也意味著探測(cè)器研制一旦失敗，整個(gè)項(xiàng)目都可能停滯。背負(fù)著這份壓力和責(zé)任，團(tuán)隊(duì)在2021年研制出首批樣品。
與聚焦鏡頭一樣，將CMOS探測(cè)器應(yīng)用在天文觀測(cè)上也是一次全新的嘗試，在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成功在軌運(yùn)用的先例。為確保技術(shù)可靠，2022年，團(tuán)隊(duì)將“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)——龍蝦眼X射線(xiàn)天文成像儀送入太空，開(kāi)展在軌測(cè)試。
不料半年后，其中兩個(gè)CMOS探測(cè)器發(fā)生故障。“當(dāng)時(shí)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(shí)發(fā)射嗎？”回想起那一刻，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所副研究員孫小進(jìn)至今仍心有余悸。
團(tuán)隊(duì)迅速組織專(zhuān)家反復(fù)研討，同步開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)，全力排查故障。孫小進(jìn)告訴記者，那時(shí)候團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人都拼盡全力，“如果問(wèn)題解決不了，‘天關(guān)’衛(wèi)星發(fā)射就將遙遙無(wú)期了”。
萬(wàn)幸的是，經(jīng)過(guò)一輪又一輪嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的分析排查，團(tuán)隊(duì)最終確定，故障由一個(gè)與成像儀通過(guò)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(cè)器本身完全可靠。有了這個(gè)結(jié)論，大家長(zhǎng)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(tái)”
“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(shí)上，團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡研制的同時(shí)，就已經(jīng)在同步設(shè)計(jì)和研發(fā)搭載望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星平臺(tái)。
“衛(wèi)星平臺(tái)研制首先要攻克快速通信難題。”中國(guó)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(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)瞬即逝，必須及時(shí)下傳，才能引導(dǎo)其他設(shè)備開(kāi)展后隨觀測(cè)。但傳統(tǒng)的通信方式依賴(lài)地面站，因此會(huì)受地面站位置限制，難以實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)的信息傳遞。
經(jīng)過(guò)大量論證，團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)大膽構(gòu)想：基于北斗短報(bào)文系統(tǒng)，構(gòu)建覆蓋全球的低軌科學(xué)衛(wèi)星實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)。這一構(gòu)想看似簡(jiǎn)單，但落地卻困難重重。
團(tuán)隊(duì)首先要解決在姿態(tài)、速度劇烈變化時(shí)，衛(wèi)星如何保持信號(hào)穩(wěn)定的問(wèn)題；此外還得為衛(wèi)星設(shè)計(jì)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(hào)。“常常是剛解決一個(gè)老問(wèn)題，又冒出一個(gè)新麻煩。”蔡志鳴細(xì)數(shù)團(tuán)隊(duì)一路走來(lái)的不易。
經(jīng)過(guò)兩年的攻堅(jiān)，衛(wèi)星平臺(tái)與地面快速通信難題終于被攻克。可還沒(méi)等團(tuán)隊(duì)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(tái)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡和2臺(tái)后隨X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，如何在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)布局，從而實(shí)現(xiàn)最大觀測(cè)效能？
立項(xiàng)之初，團(tuán)隊(duì)就在視場(chǎng)、力學(xué)、散熱等關(guān)鍵問(wèn)題上反復(fù)推敲，光是構(gòu)型設(shè)計(jì)就迭代了不下十輪。“白板上的草圖擦了又畫(huà)、畫(huà)了又擦，不知道改了多少遍。”蔡志鳴感慨。
不斷嘗試后，團(tuán)隊(duì)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(gè)堅(jiān)固而靈活的骨架，一舉解決了14臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的布局與視場(chǎng)拼接難題。整體構(gòu)型中，12臺(tái)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡宛如一朵12瓣蓮花，2臺(tái)后隨X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡就像蓮花的花蕊，在太空中優(yōu)雅綻放。
如今，經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，“天關(guān)”衛(wèi)星取得了多項(xiàng)獨(dú)有重大成果，已探測(cè)到160多例暫現(xiàn)天體，并引導(dǎo)全球各大空間和地面望遠(yuǎn)鏡跟進(jìn)觀測(cè)。“‘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。”袁為民說(shuō)，“未來(lái)它一定會(huì)獲得更多關(guān)于動(dòng)態(tài)宇宙的新發(fā)現(xiàn)，持續(xù)刷新人類(lèi)對(duì)動(dòng)態(tài)宇宙的認(rèn)知。”
責(zé)任編輯：張澤國(guó)
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