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(yuǎn)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(xué)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(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱“上海技物所”）的科研團(tuán)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(xué)、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(tuán)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(jī)，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(yuǎn)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(xué)逐漸成為國際天文學(xué)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(yuǎn)鏡被公認(rèn)為推動這一領(lǐng)域的先進(jìn)工具。這項技術(shù)最初的想法源自美國天文學(xué)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(xué)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(xué)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(diǎn)，要不你來試試？”張雙南開門見山?！霸囋嚲驮囋嚕　睆埑忌钪褒埼r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(dān)任空間站X 射線全天監(jiān)視器技術(shù)負(fù)責(zé)人。當(dāng)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(diǎn)發(fā)起沖鋒的好機(jī)會。

自主攻克致命問題

鏡片是“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件之一，制備難度高。當(dāng)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(tuán)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(tuán)隊只好一邊埋頭論證科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)可行性、鉆研相關(guān)實驗設(shè)備，一邊反復(fù)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(jìn)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(yuǎn)鏡項目而言是一個致命的問題。”張臣說。

所幸，在希望最渺茫的時候，團(tuán)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(jī)會終究垂青了有準(zhǔn)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(dān)“龍蝦眼”光學(xué)器件的自主研制任務(wù)。

從此，“龍蝦眼”的自主研制駛?cè)肟燔嚨馈Ｔ趶埑嫉挠洃浝?，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(tuán)隊投入了全部精力，實現(xiàn)了快速迭代?！?/p>

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(jìn)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(fù)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(xué)目標(biāo)需求的強(qiáng)大牽引。在最初的鏡片設(shè)計中，有一個指標(biāo)難以達(dá)到最終的探測要求，團(tuán)隊認(rèn)為這會影響科學(xué)產(chǎn)出的質(zhì)量，他們選擇面對新的挑戰(zhàn)。于是，儀器團(tuán)隊重新進(jìn)行設(shè)計，并做了大量的技術(shù)改進(jìn)，相當(dāng)長一段時間后，終于達(dá)到了預(yù)期效果。

對于代表分辨率的指標(biāo)“角分”，團(tuán)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(biāo)達(dá)到4～5角分，最佳達(dá)到3角分，處于國際領(lǐng)先水平。

沒有先例的超前決定

團(tuán)隊遇到的另一個挑戰(zhàn)是光子探測器的研制。2 0世紀(jì)9 0年代以來，X 射線望遠(yuǎn)鏡一般采用電荷耦合器件（CCD）作為焦面探測器。但當(dāng)時國內(nèi)還無法制造能滿足需求的科學(xué)級CCD，進(jìn)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(fù)責(zé)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(tuán)隊創(chuàng)新性地將背照式互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jī)、手機(jī)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(diǎn)，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(xué)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。”

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(tuán)隊利用一次搭載機(jī)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?dāng)時大家都嚇壞了，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(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱“國家空間科學(xué)中心”）研究員孟新說。

對工程總體而言，衛(wèi)星立項批復(fù)、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(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都要嚴(yán)格按照計劃推進(jìn)。為此，國家空間科學(xué)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(tuán)隊神經(jīng)緊繃，許多人的眼睛都是紅的。“大家都是懷著高度的責(zé)任感，鉚足勁在干?！彼f，“一旦耽誤了出廠，發(fā)射可能就遙遙無期了?！彼?，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(xué)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(jìn)。他相信這一事故不會影響整體任務(wù)的成功。

互補(bǔ)，但不越位

2 0 1 7年，當(dāng)天關(guān)衛(wèi)星準(zhǔn)備工程立項時，天關(guān)衛(wèi)星首席科學(xué)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(xué)院院士孫勝利發(fā)出邀請，希望他承擔(dān)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(tuán)隊在天文衛(wèi)星科學(xué)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(diǎn)，必須面對全方位的挑戰(zhàn)，包括標(biāo)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。“項目立項之初，我們梳理了需要解決的6類關(guān)鍵技術(shù)、上百個問題?！崩纾槍 射線聚焦的測試，孫勝利帶領(lǐng)的科研團(tuán)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(jìn)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(dá)到0.8 3納米，這對整個相機(jī)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(jìn)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(biāo)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(jìn)說。

在“龍蝦眼”的研制中，3家單位的科研團(tuán)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(fù)責(zé)設(shè)備的科學(xué)性，提供光學(xué)設(shè)計、鏡片參數(shù)的X射線測試、鏡片質(zhì)量改進(jìn)路線的科學(xué)建議，以及“龍蝦眼”聚焦鏡組件的自動化裝調(diào)、測試和標(biāo)定；北方夜視公司負(fù)責(zé)鏡片的實際加工和工藝改進(jìn)；上海技物所則負(fù)責(zé)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(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密熱控及電子學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)。國家天文臺和上海技物所還負(fù)責(zé)完成完整的“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡模塊地面X 射線標(biāo)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(rèn)為大家都是懷著赤誠之心，想把這件事做好。“遇到問題時互相幫忙，共同努力解決問題，而不是把責(zé)任推給對方。團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神是確保項目成功的關(guān)鍵。”張臣說。

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(bǔ)，是一種動態(tài)的合作，并且沒有越位?！斑@是建制化開展科學(xué)衛(wèi)星研制的良好范本?！睂O勝利強(qiáng)調(diào)。