“眾籌”衛(wèi)星上天

2022 年 5 月的一天，中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)衛(wèi)星創(chuàng)新院）空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)的 17 名隊(duì)員，在連續(xù)顛簸數(shù)十小時(shí)后終于從大巴車(chē)上下來(lái)，每個(gè)人的腿都腫得不行。但大家沒(méi)休息，馬上開(kāi)始在酒泉的工作，為“創(chuàng)新 X”系列科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星的首發(fā)星——空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射做準(zhǔn)備。

2022年7月27日12時(shí)12分，我國(guó)當(dāng)前最大固體運(yùn)載火箭“力箭一號(hào)”（ZK-1A）在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，采用“一箭六星”的方式，將六顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。其中一顆就是空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的在軌測(cè)試，8月即獲得首批科學(xué)成果；2023年1月，第二批科學(xué)與技術(shù)成果發(fā)布；如今距離發(fā)射已過(guò)去2年多，這顆外形酷似蜻蜓的衛(wèi)星仍然在持續(xù)產(chǎn)出科學(xué)數(shù)據(jù)。

隨著“創(chuàng)新X科學(xué)航班”計(jì)劃啟動(dòng)，團(tuán)隊(duì)成員希望通過(guò)進(jìn)一步降低平臺(tái)成本和發(fā)射成本，讓科學(xué)家有更多申請(qǐng)?zhí)諏?shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，促進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)研究發(fā)展。眾籌衛(wèi)星搭建太空中的“中試平臺(tái)”，作為一種適應(yīng)科技發(fā)展的新生事物，成了眾望所歸的全新探索。

業(yè)內(nèi)人士指出，隨著航天科技、空間科學(xué)的快速發(fā)展，科研領(lǐng)域希望上天觀測(cè)、驗(yàn)證的新技術(shù)新想法井噴式增加，但通過(guò)爭(zhēng)取國(guó)家項(xiàng)目上天的機(jī)會(huì)卻“一票難求”，通過(guò)“眾籌”方式獲得太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證機(jī)會(huì)或許是未來(lái)基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的一種有效途徑。

因“星”制宜新模式

2021 年初，中國(guó)科學(xué)院“力箭一號(hào)”運(yùn)載火箭首飛工程立項(xiàng)，基于“共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、科學(xué)優(yōu)先”的原則，空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星獲得了一個(gè)被搭載上天的機(jī)會(huì)。

衛(wèi)星創(chuàng)新院副院長(zhǎng)張永合介紹，“創(chuàng)新 X”意味著創(chuàng)新交叉、創(chuàng)新無(wú)極限，從項(xiàng)目遴選、構(gòu)型設(shè)計(jì)到人員配置，創(chuàng)新體現(xiàn)在每一個(gè)環(huán)節(jié)。這是一種全新的“眾籌”模式，由各參與方自主投入，多個(gè)不同類(lèi)型的載荷“湊”在一顆衛(wèi)星上進(jìn)入太空，以獲得太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。

經(jīng)過(guò)遴選，最終確定搭載涉及天文、量子、遙感、在軌制造等不同領(lǐng)域的二十來(lái)個(gè)新型載荷，如46.5nm極紫外太陽(yáng)成像儀、龍蝦眼X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡等。“我們遴選的新載荷、新技術(shù)產(chǎn)品，大部分都是在航天領(lǐng)域就差‘臨門(mén)一腳’的基礎(chǔ)研究和新技術(shù)?！睆堄篮险f(shuō)，它突破了原有的專(zhuān)星專(zhuān)用模式，通過(guò)眾籌式、航班式的空間科學(xué)與新技術(shù)試驗(yàn)的新范式順應(yīng)了創(chuàng)新需求。

由衛(wèi)星創(chuàng)新院研究員張曉峰擔(dān)任總師的衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)隨之組建，團(tuán)隊(duì)骨干力量多是“85后”“90 后”，人數(shù)最多的時(shí)候也不到 20 人，其中有一半成員是第一次獨(dú)立承擔(dān)項(xiàng)目。為了確保項(xiàng)目順利推進(jìn)，團(tuán)隊(duì)采用“雙責(zé)任制”，每個(gè)分系統(tǒng)由一位有經(jīng)驗(yàn)的“師父”負(fù)責(zé)技術(shù)和質(zhì)量的把關(guān)，再由年輕的“徒弟”主導(dǎo)方案設(shè)計(jì)和項(xiàng)目推進(jìn)。

劉瑞和李天童是非常有代表性的一個(gè)組合，兩人同屬于結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)，分別擔(dān)任主任設(shè)計(jì)師和主管設(shè)計(jì)師。劉瑞將這項(xiàng)工作形容為“命題作文”，面臨的最大挑戰(zhàn)是如何將所有載荷都擺放在 1 立方米的空間里。兩人在一個(gè)月的時(shí)間里，反復(fù)嘗試和調(diào)整，設(shè)計(jì)了上百個(gè)放置載荷的版本。設(shè)計(jì)過(guò)程中，有一臺(tái)全鋁自由曲面相機(jī)，始終找不到合適的位置。有一天他們突發(fā)奇想，把相機(jī)通過(guò)支架掛在了衛(wèi)星的側(cè)面，發(fā)現(xiàn)能夠很好地解決散熱面的問(wèn)題，同時(shí)把寶貴的頂部空間釋放出來(lái)。

毫無(wú)疑問(wèn)，在一年時(shí)間內(nèi)將如此數(shù)量繁多、類(lèi)型迥異的新型載荷“湊”在一顆衛(wèi)星上發(fā)上天，這給衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。在追求高可靠性的航天人眼里，“創(chuàng)新”意味著更多的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，面對(duì)“新”團(tuán)隊(duì)、“新”模式、短周期，衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)探索出了一條適合自己的路線(xiàn)。在衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)及研制上，與以往衛(wèi)星不同，需要適應(yīng)各種各樣載荷的機(jī)械接口、電接口及觀測(cè)需求，因此“創(chuàng)新X”被設(shè)計(jì)成了一個(gè)面向載荷動(dòng)態(tài)集成的通用化的平臺(tái)，不僅接口豐富，還具備高精度對(duì)日觀測(cè)、對(duì)地觀測(cè)、慣性定向等多種觀測(cè)模式。此外，衛(wèi)星還進(jìn)行了快速迭代、測(cè)試流程優(yōu)化等技術(shù)管理創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了1年的短周期快速研制。

把 5 年壓縮到一年半

空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的重量為 600多公斤，研制這種體量的衛(wèi)星一般需要 3 到 5 年的時(shí)間。然而，“力箭一號(hào)”運(yùn)載火箭原計(jì)劃于 2021年底發(fā)射，這意味著從項(xiàng)目立項(xiàng)到發(fā)射，團(tuán)隊(duì)只有不到 1 年時(shí)間，最后也僅放寬了半年。

這是一個(gè)由衛(wèi)星創(chuàng)新院自籌經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目，時(shí)間緊、任務(wù)重、經(jīng)費(fèi)緊張、人員有限。為了節(jié)省時(shí)間以及降低成本，張永合一開(kāi)始就定下了“一步正樣”的計(jì)劃，即從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測(cè)試、試驗(yàn)，到最后飛上太空的，都是同一顆衛(wèi)星。此外，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了很多大膽的嘗試：把原來(lái)型號(hào)剩下的鑒定件進(jìn)行評(píng)估后再利用、復(fù)制已有的設(shè)計(jì)方案和接口、借用其他團(tuán)隊(duì)的星載計(jì)算機(jī)提前做測(cè)試和準(zhǔn)備……

衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)還需要協(xié)調(diào)所有載荷單位的進(jìn)度。每一個(gè)載荷至少對(duì)應(yīng)著一家單位，而其中很多都是航天領(lǐng)域的“新兵”。為了同載荷單位保持密切溝通，團(tuán)隊(duì)提前制定了相關(guān)規(guī)范、驗(yàn)證要求并作了格式約定，下發(fā)給各單位，同時(shí)開(kāi)展了多次線(xiàn)上輔導(dǎo)，幫助解決相關(guān)工程問(wèn)題。

與此同時(shí)，載荷的數(shù)量也在反復(fù)變動(dòng)，有新的載荷想要加入，也有已入選的載荷因?yàn)檫M(jìn)度跟不上而不得不中途退出。為此，團(tuán)隊(duì)有針對(duì)性地對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行了設(shè)計(jì)：提供豐富的接口，以滿(mǎn)足不同載荷的需求；設(shè)置完善的故障隔離，確保個(gè)別載荷的故障不會(huì)影響整體。

在這些創(chuàng)新方法的加持下，衛(wèi)星按時(shí)交付。“我們創(chuàng)造了很多方法，按照航天的方式制定計(jì)劃流程，每一步都很清楚?！睆堄篮险f(shuō)。

期待開(kāi)創(chuàng)科學(xué)研究新范式

最終，“創(chuàng)新X”首發(fā)試驗(yàn)星的重量達(dá)到了約620公斤，利用接口豐富、柔性配置、動(dòng)態(tài)集成的試驗(yàn)平臺(tái)，搭載了16個(gè)新載荷與新技術(shù)產(chǎn)品，在軌完成了44項(xiàng)空間新技術(shù)驗(yàn)證，部分技術(shù)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

衛(wèi)星搭載了EP-WXT探路者“龍蝦眼天文成像儀”萊婭（LEIA）、高能爆發(fā)探索者（HEBS）、46.5nm極紫外太陽(yáng)成像儀（SUTRI）、CPT原子磁場(chǎng)精密測(cè)量?jī)x等空間科學(xué)探測(cè)載荷，在驗(yàn)證新型探測(cè)技術(shù)的同時(shí)，獲得了令人振奮的科學(xué)成果。

利用LEIA載荷，科學(xué)家成功獲得了一批天體的真實(shí)大視場(chǎng)X射線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像和能譜，這是國(guó)際上首次獲得并公開(kāi)發(fā)布的大視場(chǎng)X射線(xiàn)聚焦成像觀測(cè)結(jié)果，標(biāo)志著我國(guó)率先掌握了X射線(xiàn)龍蝦眼聚焦成像技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了在軌驗(yàn)證與科學(xué)探測(cè)應(yīng)用。

截至目前，LEIA已完成第一輪軟X射線(xiàn)全天天圖繪制，探測(cè)到多個(gè)暫現(xiàn)源/耀發(fā)源，同時(shí)在軌開(kāi)展了標(biāo)定測(cè)試和觀測(cè)模式探索等工作，為今年1月發(fā)射的愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星（EP）積累了寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

高能爆發(fā)探索者（HEBS）在完成了在軌驗(yàn)證后就轉(zhuǎn)入常規(guī)觀測(cè)，編入到空間科學(xué)衛(wèi)星懷柔一號(hào)極目載荷（GECAM-C）系列，與GECAM-A/B協(xié)同，初步形成我國(guó)首個(gè)高能爆發(fā)天體監(jiān)測(cè)網(wǎng)。2022年10月，HEBS載荷發(fā)現(xiàn)迄今最亮伽馬暴，對(duì)其主暴階段進(jìn)行了高精度測(cè)量，是國(guó)際上已知質(zhì)量最好的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該伽馬暴的觀測(cè)亮度和各向同性等效能量均打破紀(jì)錄，獲得國(guó)際同行認(rèn)可。

不僅如此，同屬“創(chuàng)新X”衛(wèi)星的LEIA載荷與HEBS載荷，于2023年3月7日同時(shí)探測(cè)到一個(gè)極端明亮的伽馬暴，這是首次利用寬視場(chǎng)軟X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)監(jiān)測(cè)器聯(lián)合觀測(cè)研究伽馬暴瞬時(shí)輻射。

46.5nm極紫外太陽(yáng)成像儀（SUTRI）利用Ne VII 46.5 nm譜線(xiàn)對(duì)50萬(wàn)攝氏度左右的太陽(yáng)大氣成像，旨在建立太陽(yáng)低層大氣和日冕之間的關(guān)鍵橋梁。SUTRI是40-110 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)國(guó)際首臺(tái)基于多層膜窄帶濾光技術(shù)的太陽(yáng)成像儀，驗(yàn)證了新型硅鈧多層膜反射鏡等器件的在軌性能和極紫外在軌定標(biāo)技術(shù)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際首次拍攝了46.5 nm全日面圖像，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次太陽(yáng)過(guò)渡區(qū)探測(cè)。利用觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家在太陽(yáng)大氣中物質(zhì)流動(dòng)、波動(dòng)，耀斑和噴流，暗條形成和爆發(fā)等方面取得研究成果，其科學(xué)數(shù)據(jù)已公開(kāi)發(fā)布并被虛擬太陽(yáng)天文臺(tái)（VSO）收錄。

衛(wèi)星搭載了三臺(tái)各具特色的可見(jiàn)光相機(jī)，分別為全鋁自由曲面相機(jī)、多功能一體化相機(jī)和冷光學(xué)紅外感知相機(jī)。全鋁自由曲面相機(jī)采用了新型“全自由曲面+全鋁光機(jī)”無(wú)遮攔離軸三反設(shè)計(jì)，具有無(wú)熱化、體積緊湊、快速響應(yīng)、大視場(chǎng)、低成本等特點(diǎn)，是新型的光學(xué)成像技術(shù)，完成了在軌演示驗(yàn)證與常態(tài)化對(duì)地觀測(cè)；多功能一體化相機(jī)基于共口徑多出瞳光學(xué)系統(tǒng)，在同一相機(jī)上實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光、微光和紅外三種觀測(cè)模式，并兼具視頻成像的功能，已完成多譜段多出瞳共光路等關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗(yàn)證；冷光學(xué)紅外感知相機(jī)將制冷機(jī)、探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行耦合集成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器80K的工作溫度，是一種高集成小型化低溫紅外探測(cè)系統(tǒng)。

“全球首張寬視場(chǎng)X射線(xiàn)聚焦成像天圖”“我國(guó)首幅太陽(yáng)過(guò)渡區(qū)圖像”“國(guó)際迄今最亮伽馬暴”……空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射后，截至目前，“創(chuàng)新X”衛(wèi)星已完成了包含邊緣計(jì)算型視覺(jué)芯片、InSb紅外探測(cè)器、宇航級(jí)半導(dǎo)體溫控等新器件技術(shù)，還有微牛級(jí)冷氣微推、超高頻脈沖管制冷、3D 打印鈦合金高壓氣儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、國(guó)產(chǎn)艙外無(wú)磁光纖等部組件技術(shù)的驗(yàn)證，為未來(lái)空間探測(cè)任務(wù)提供了豐富的新技術(shù)產(chǎn)品。

與這些亮眼成果相比，最令張曉峰印象深刻的是研制中如何保成功。為了讓年輕的團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，他對(duì)質(zhì)量問(wèn)題“小題大做”。最后一次裝星時(shí)，年輕的設(shè)計(jì)師把一條電纜裝短了。此時(shí)衛(wèi)星即將出廠，已經(jīng)來(lái)不及拆星重裝，最終決定臨時(shí)加做一條電纜。當(dāng)晚，張曉峰把所有的設(shè)計(jì)師召集起來(lái)，讓每個(gè)人思考有無(wú)遺漏的地方。“我當(dāng)時(shí)說(shuō)，這雖然是自籌項(xiàng)目，但它同樣承載了許多科學(xué)家的期許，我們要把它當(dāng)成國(guó)家的大任務(wù)去對(duì)待。”

團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人也都是這么想的，十分珍惜這次機(jī)會(huì)，也在期待這顆“新”星開(kāi)創(chuàng)的模式成為一種科學(xué)研究新范式。

2023年7月，衛(wèi)星發(fā)射一周年時(shí)，張永合與“力箭一號(hào)”運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師楊毅強(qiáng)共同發(fā)布了“創(chuàng)新X”科學(xué)航班計(jì)劃。“在力箭運(yùn)載的每次發(fā)射任務(wù)中，我們都會(huì)為科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星預(yù)留專(zhuān)門(mén)艙位，提供靈活、便捷的入軌機(jī)會(huì)，以創(chuàng)新的模式，支持空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?！敝锌朴詈綏钜銖?qiáng)總裁說(shuō)道。

科學(xué)航班面向全球征集有在軌驗(yàn)證需求的新載荷、新產(chǎn)品，利用“力箭”的發(fā)射機(jī)會(huì)，每年搭載4顆50公斤級(jí)科學(xué)微納星，2顆100公斤級(jí)科學(xué)微小衛(wèi)星，1顆600公斤級(jí)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，為全球科學(xué)家、科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、空間公司提供全鏈條搭載服務(wù)。

“大量面向空間科學(xué)、空間應(yīng)用研究的新載荷、新技術(shù)產(chǎn)品，長(zhǎng)期停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，停留在地面試驗(yàn)階段，此次火箭與衛(wèi)星聯(lián)合，旨在建立可持續(xù)的低成本在軌驗(yàn)證新模式?！睆堄篮险f(shuō)，“我們?cè)诶^續(xù)優(yōu)化衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也在了解科學(xué)家們的需求。實(shí)踐表明，這種模式走得通。隨著后續(xù)成本的進(jìn)一步降低，低成本空間科學(xué)與新技術(shù)試驗(yàn)的新范式將為全球科學(xué)家進(jìn)行基礎(chǔ)研究提供服務(wù)?！?/p>