“龍蝦眼”誕生記

自2024年1月9日發(fā)射以來，天關(guān)衛(wèi)星探測到多種類型的暫現(xiàn)天體，并捕捉到幾例可能的新類型暫現(xiàn)源。其卓越的X射線探測能力得益于核心載荷——寬視場X射線望遠鏡（WXT，中文名“萬星瞳”），也被稱為“龍蝦眼”。

回顧研發(fā)歷程，來自中國科學院國家天文臺（以下簡稱“國家天文臺”）、北方夜視公司及中國科學院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱“上海技物所”）的科研團隊通力合作，從頭設(shè)計和研制“龍蝦眼”X射線聚焦鏡、CMOS探測器陣列、前端電子學、磁屏蔽、熱控和支撐結(jié)構(gòu)等組部件構(gòu)成，將工匠精神貫穿始終。

科研團隊為之感到自豪：“國際上至今沒有能與‘龍蝦眼’媲美的載荷甚至樣機，我們在技術(shù)上一步跨越近30年！”

試試就試試

恒星爆炸、中子星合并、黑洞吞噬恒星……一系列天文事件總在瞬間發(fā)生，伴隨著海量能量釋放，大量X 射線光子向四面八方奔騰而去。想要了解這些天文事件，用一臺能看到極其廣闊宇宙空間的望遠鏡去捕捉、觀察X 射線不失為一個好辦法。

2 0 0 0年以來，專門研究宇宙中變化天體的時域天文學逐漸成為國際天文學界的前沿領(lǐng)域，采用“龍蝦眼”結(jié)構(gòu)設(shè)計觀察X 射線的望遠鏡被公認為推動這一領(lǐng)域的先進工具。這項技術(shù)最初的想法源自美國天文學家羅杰·安吉爾1 9 7 9年發(fā)表的一篇論文。

2 0 1 0年夏天，剛從清華大學完成博士后工作的張臣，在即將入職國家天文臺時接到了中國科學院高能物理研究所研究員張雙南的電話。

“‘龍蝦眼’可能是個突破點，要不你來試試？”張雙南開門見山?！霸囋嚲驮囋?！”張臣深知“龍蝦眼”的威力，毫不遲疑地答應(yīng)了。

就這樣，張臣入了“龍蝦眼”的“坑”，擔任空間站X 射線全天監(jiān)視器技術(shù)負責人。當時還沒有“龍蝦眼”在空間項目中成功應(yīng)用的先例，張臣深知，自己面對的是一道世界級難題，也是一個向科技制高點發(fā)起沖鋒的好機會。

自主攻克致命問題

鏡片是“龍蝦眼”望遠鏡的關(guān)鍵部件之一，制備難度高。當時，世界上僅有一家法國公司有能力生產(chǎn)這樣的鏡片?？蒲袌F隊最初計劃從這家公司購買?！懊科u2 0萬元，我們計劃購買4 0 0多片，對方不降價，也不保證質(zhì)量?！? 0 1 0年前后，張臣3次前往法國布里夫訪問這家公司，都空手而歸?？蒲袌F隊只好一邊埋頭論證科學目標和技術(shù)可行性、鉆研相關(guān)實驗設(shè)備，一邊反復與這家公司溝通，嘗試購買2 0片鏡片。

經(jīng)過漫長的等待，他們終于拿到了產(chǎn)品，檢測后卻發(fā)現(xiàn)只有1 0片可用，另外1 0片質(zhì)量極差，幾乎無法使用。這種情況一直持續(xù)到2 0 1 4年天關(guān)衛(wèi)星進入背景型號研究階段?！皼]有關(guān)鍵的X 射線成像器件，對一個空間望遠鏡項目而言是一個致命的問題?！睆埑颊f。

所幸，在希望最渺茫的時候，團隊中沒有人放棄。2 0 1 5年，在天關(guān)衛(wèi)星背景型號研究后期，機會終究垂青了有準備的人。國內(nèi)一家生產(chǎn)相近產(chǎn)品的企業(yè)——北方夜視公司主動請纓，承擔“龍蝦眼”光學器件的自主研制任務(wù)。

從此，“龍蝦眼”的自主研制駛?cè)肟燔嚨?。在張臣的記憶里，那是一段為了夢想而忘我奮斗的難忘時光?！耙婚_始鏡片性能很差，連聚焦的‘十字形’都看不清，科研團隊投入了全部精力，實現(xiàn)了快速迭代。”

北方夜視公司不計成本，分批生產(chǎn)了2萬余片“龍蝦眼”鏡片，并進行批量化篩選，完成了正樣所需的4 0 0余片鏡片的篩選，再由人工復核，最終實現(xiàn)所有正樣鏡片參數(shù)零錯誤。

研發(fā)過程始終受到來自科學目標需求的強大牽引。在最初的鏡片設(shè)計中，有一個指標難以達到最終的探測要求，團隊認為這會影響科學產(chǎn)出的質(zhì)量，他們選擇面對新的挑戰(zhàn)。于是，儀器團隊重新進行設(shè)計，并做了大量的技術(shù)改進，相當長一段時間后，終于達到了預期效果。

對于代表分辨率的指標“角分”，團隊一個角分一個角分地“死磕”，從最初的1 0個角分提升到5個角分。最終，這一指標達到4～5角分，最佳達到3角分，處于國際領(lǐng)先水平。

沒有先例的超前決定

團隊遇到的另一個挑戰(zhàn)是光子探測器的研制。2 0世紀9 0年代以來，X 射線望遠鏡一般采用電荷耦合器件（CCD）作為焦面探測器。但當時國內(nèi)還無法制造能滿足需求的科學級CCD，進口產(chǎn)品價格又十分昂貴。此外，以往常用的氣體探測器，可能會因為太空中的微流星和宇宙塵埃撞擊而失效。國際空間站X 射線全天監(jiān)視器（MAXI）負責人松岡博士也一針見血地提出了這個意見。

經(jīng)過大量的實驗驗證后，團隊創(chuàng)新性地將背照式互補金屬氧化物半導體（CMOS）應(yīng)用于探測X 射線光子。盡管CMOS 早已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機、手機攝像頭，但這是國際上首次將CMOS 探測器應(yīng)用于空間X 射線天文探測。

“我們使用的CMOS 探測器具有高性能、高靈敏度、高一致性的特點，且每個探測器面積為6厘米×6厘米?！眹姨煳呐_研究員、天關(guān)衛(wèi)星載荷科學家凌志興指出，“這是一個重要創(chuàng)新，目前還沒有其他項目使用過這么大規(guī)模的硅基成像探測器?！?/p>

誰也沒有想到，在衛(wèi)星正樣出廠的前夕，CMOS 卻出現(xiàn)了“險情”。為保證技術(shù)的可靠性，2 0 2 2年7月，科研團隊利用一次搭載機會，開展了“龍蝦眼”X 射線成像儀（LEIA）試驗，由“力箭一號”發(fā)射升空，LEIA 在軌驗證“龍蝦眼”成像技術(shù)和探測器技術(shù)取得了成功。

但一段時間后，壞消息傳來——在軌試驗的CMOS 出現(xiàn)了異常條紋?！爱敃r大家都嚇壞了，這個問題不解決，我們就不敢出廠了！”天關(guān)衛(wèi)星工程副總指揮、中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“國家空間科學中心”）研究員孟新說。

對工程總體而言，衛(wèi)星立項批復、方案轉(zhuǎn)初樣、初樣轉(zhuǎn)正樣、出廠、發(fā)射以及在軌測試、完成評審等，都是項目管理中的關(guān)鍵節(jié)點，每個節(jié)點都要嚴格按照計劃推進。為此，國家空間科學中心組織幾家單位共同分析，在盡可能短的時間里，把能想到的實驗都做了。

孟新看到，那段時間里，整個團隊神經(jīng)緊繃，許多人的眼睛都是紅的?！按蠹叶际菓阎叨鹊呢熑胃校T足勁在干。”他說，“一旦耽誤了出廠，發(fā)射可能就遙遙無期了。”所幸，通過縝密的實驗，他們基本得出了結(jié)論：這是一個由局部缺陷引發(fā)的個別案例，而非批量生產(chǎn)的問題。

面對巨大壓力，天關(guān)衛(wèi)星工程總師、中國科學院院士顧逸東給這次“險情”拍了板，決定按計劃繼續(xù)向前推進。他相信這一事故不會影響整體任務(wù)的成功。

互補，但不越位

2 0 1 7年，當天關(guān)衛(wèi)星準備工程立項時，天關(guān)衛(wèi)星首席科學家、國家天文臺研究員袁為民在一次項目會議上向上海技物所研究員、中國科學院院士孫勝利發(fā)出邀請，希望他承擔萬星瞳載荷總體和部分關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)任務(wù)。孫勝利帶領(lǐng)的科研團隊在天文衛(wèi)星科學載荷研制方面有著豐富的工程經(jīng)驗。

孫勝利介紹，“龍蝦眼”要實現(xiàn)X 射線聚焦的特點，必須面對全方位的挑戰(zhàn)，包括標定數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)溫度保持以及在軌安全性和可靠性等?！绊椖苛㈨椫酰覀兪崂砹诵枰鉀Q的6類關(guān)鍵技術(shù)、上百個問題。”例如，針對X 射線聚焦的測試，孫勝利帶領(lǐng)的科研團隊率先提出了基于數(shù)字孿生的新方法，實現(xiàn)了像元的全覆蓋。

上海技物所副研究員、萬星瞳載荷主任設(shè)計師孫小進介紹，典型的“龍蝦眼”MPO 鏡片是一個4 2.5毫米×4 2.5毫米的曲面，曲率半徑為7 5 0毫米，每片鏡片上有近1 0 0萬個小方格，方格的大小為4 0微米×4 0微米，壁的厚度為8微米，光潔度達到0.8 3納米，這對整個相機關(guān)鍵元部件獲取和系統(tǒng)集成裝調(diào)提出了十分苛刻的要求。

孫小進仍然記得“龍蝦眼”的一次關(guān)鍵考試。2 0 2 1年6月，初樣階段研制的第一個子模塊在百米束線定標下，在監(jiān)視軟件上輸出了清晰的“十”字形圖像?！啊埼r眼’首光測試成功，讓測試大廳里的項目組成員都喜出望外?！睂O小進說。

在“龍蝦眼”的研制中，3家單位的科研團隊發(fā)揮各自優(yōu)勢，通力合作，共同攻克了一個又一個技術(shù)難題，成功完成了全部國產(chǎn)化的自主研制。其中，國家天文臺負責設(shè)備的科學性，提供光學設(shè)計、鏡片參數(shù)的X射線測試、鏡片質(zhì)量改進路線的科學建議，以及“龍蝦眼”聚焦鏡組件的自動化裝調(diào)、測試和標定；北方夜視公司負責鏡片的實際加工和工藝改進；上海技物所則負責工程的實現(xiàn)，組裝整個載荷儀器，并逐一攻克結(jié)構(gòu)熱控、橫向陣列、CMOS 探測器復雜結(jié)構(gòu)、精密熱控及電子學等關(guān)鍵技術(shù)。國家天文臺和上海技物所還負責完成完整的“龍蝦眼”望遠鏡模塊地面X 射線標定。

張臣用“犬牙交錯”形容這些工作相互融合、多線并行的程度。他認為大家都是懷著赤誠之心，想把這件事做好?！坝龅絾栴}時互相幫忙，共同努力解決問題，而不是把責任推給對方。團結(jié)協(xié)作的精神是確保項目成功的關(guān)鍵?！睆埑颊f。

在孫勝利看來，這次合作就像一支足球隊踢了一場好球，每個人都有明確的位置，隊員們互相配合、互補，是一種動態(tài)的合作，并且沒有越位?！斑@是建制化開展科學衛(wèi)星研制的良好范本?！睂O勝利強調(diào)。