日前，从中国科学院国家空间科学中心传来一系列关于“天关”卫星的好消息：发现新型X射线暂现天体，为理解这类神秘暂现天体提供关键线索；探测到银河系内X射线暗弱爆发天体，为人类发现恒星级黑洞开辟新途径……

浩瀚苍穹中，那些遥远、暗弱又转瞬即逝的宇宙X射线，是人类探秘宇宙的重要线索。要想捕捉这些射线，必须拥有能看得广、看得远、看得清的“眼睛”，而这正是“天关”卫星具备的重要特点。

“取得这些发现，主要归功于我们为‘天关’卫星量身定制的微孔龙虾眼X射线聚焦成像技术。”中国科学院国家天文台研究员、“天关”卫星首席科学家袁为民向科技日报记者介绍，该技术不仅让卫星具备极大的视场——一次定点观测即可覆盖约十一分之一天区，还大幅提升了卫星的探测灵敏度和定位精度，让其性能远超国际同类设备。

细磨“广角镜”

为什么要给卫星装上“龙虾眼”？这就要从龙虾的眼睛说起。

中国科学院国家天文台研究员张臣介绍，龙虾的眼睛拥有广阔的视野和独特的聚焦机制，里面有无数细小的方管，管壁光滑，且全部指向同一个中心。光线射入后，经管壁反射，能精准聚焦到视网膜上。

美国天文学家基于此提出设想：模仿龙虾的眼睛，研制一台既可覆盖大视场又能聚焦的X射线望远镜。但几十年过去，这一设想始终未能实现。

“主要原因是技术难度太大。”张臣解释，X射线的能量极高，很容易穿透观测设备，无法像可见光那样，通过反射或折射实现聚焦。因此，想让“天关”卫星拥有“龙虾眼”，关键是要造出结构类似于龙虾眼睛的聚焦镜头，而镜头的核心则是镜片。

“当时这种镜片只有法国一家公司能够生产，可对方不仅报价高昂，还无法保证质量。”张臣告诉记者，“最后我们下定决心，走自主研发这条路！”

恰在这时，团队曾调研过的北方夜视技术股份有限公司主动上门，提出希望合作研制“龙虾眼”光学器件。双方一拍即合，镜片研制工作驶入快车道。

“着手研发时才知道，镜片的精度要求有多高。”张臣伸出手指比划，“4厘米×4厘米的面积上要集成近100万个方孔，每个方孔的排列方向都需要精确设计。”

研发初期，团队制出的镜片性能很差，连X射线成像都很困难，完全无法投入应用。再到后来，镜片虽然能成像了，分辨率却远达不到要求，甚至连聚焦的“十字形”都看不清。

面对这样的困境，团队只能“死磕”：一遍遍优化设计，一次次改进工艺。“那时，我们压力非常大，觉都睡不好，但大家都憋着一股劲，一定要把它做好。”张臣已经记不清有多少天在实验室中彻夜奋战。

历时近5年，经过团队日积月累的打磨，最终将镜片分辨率从十几角分逐步提升至3角分。有了可靠的镜片，接下来的问题迎刃而解，“龙虾眼”望远镜的镜头被成功研制出来。

定制“视网膜”

如果将“龙虾眼”望远镜比作人眼，那么它的前置镜头就如同晶状体，负责聚焦；镜头后侧的探测器则宛如视网膜，负责成像。两者协同工作，才能清晰捕捉宇宙X射线影像。

“龙虾眼”的聚焦镜头有了，下一步就该考虑用哪种探测器。

“最初我们选择的是气体探测器，花了两年时间才让技术基本成熟。但有个致命问题始终无法解决，就是在受到撞击时，探测器极易因气体泄漏而失效。”中国科学院国家天文台研究员凌志兴说，“这种情况绝不允许发生，我们只能放弃这个方案。”

反复研讨后，团队将目光转向背照式互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器。这种探测器能将光信号高效转换为电信号，被广泛应用于手机、相机等产品领域。但将它用于天文观测，此前还没有相关技术支持。

2017年，团队又一次从头开始，正式启动天文级CMOS探测器的研制工作。“从设计到流片完成，我们不停调整参数、迭代版本，这次用了整整4年。”凌志兴坦言，当时团队没有其他备份方案，这也意味着探测器研制一旦失败，整个项目都可能停滞。背负着这份压力和责任，团队在2021年研制出首批样品。

与聚焦镜头一样，将CMOS探测器应用在天文观测上也是一次全新的尝试，在国内外尚无成功在轨运用的先例。为确保技术可靠，2022年，团队将“龙虾眼”望远镜的实验样机——龙虾眼X射线天文成像仪送入太空，开展在轨测试。

不料半年后，其中两个CMOS探测器发生故障。“当时我们都非常紧张，所有人心里都在打鼓——‘天关’卫星还能按时发射吗？”回想起那一刻，中国科学院上海技术物理研究所副研究员孙小进至今仍心有余悸。

团队迅速组织专家反复研讨，同步开展大量实验，全力排查故障。孙小进告诉记者，那时候团队的每个人都拼尽全力，“如果问题解决不了，‘天关’卫星发射就将遥遥无期了”。

万幸的是，经过一轮又一轮严谨细致的分析排查，团队最终确定，故障由一个与成像仪通过地球极区轨道相关的特殊事件和器件偶发缺陷所引起，CMOS探测器本身完全可靠。有了这个结论，大家长吁一口气，“天关”卫星距离发射又近了一步。

打造“莲花台”

“龙虾眼”研制基本完成，如何将它安装在“天关”卫星上，充分发挥它的作用，则是最后一道关。事实上，团队在开展“龙虾眼”望远镜研制的同时，就已经在同步设计和研发搭载望远镜的卫星平台。

“卫星平台研制首先要攻克快速通信难题。”中国科学院微小卫星创新院研究员蔡志鸣告诉记者，“天关”卫星捕捉到的X射线信号转瞬即逝，必须及时下传，才能引导其他设备开展后随观测。但传统的通信方式依赖地面站，因此会受地面站位置限制，难以实现分钟级的信息传递。

经过大量论证，团队提出了一个大胆构想：基于北斗短报文系统，构建覆盖全球的低轨科学卫星实时通信网络。这一构想看似简单，但落地却困难重重。

团队首先要解决在姿态、速度剧烈变化时，卫星如何保持信号稳定的问题；此外还得为卫星设计一套聪明的“反射神经”，让其在调整姿态后能瞬间重新连上北斗信号。“常常是刚解决一个老问题，又冒出一个新麻烦。”蔡志鸣细数团队一路走来的不易。

经过两年的攻坚，卫星平台与地面快速通信难题终于被攻克。可还没等团队稍作喘息，另一大难题随即出现——“天关”卫星要搭载12台“龙虾眼”望远镜和2台后随X射线望远镜，如何在有限空间内实现最优布局，从而实现最大观测效能？

立项之初，团队就在视场、力学、散热等关键问题上反复推敲，光是构型设计就迭代了不下十轮。“白板上的草图擦了又画、画了又擦，不知道改了多少遍。”蔡志鸣感慨。

不断尝试后，团队决定采用三维空间桁架+支架的全新结构。这就像为卫星搭建了一个坚固而灵活的骨架，一举解决了14台望远镜的布局与视场拼接难题。整体构型中，12台“龙虾眼”望远镜宛如一朵12瓣莲花，2台后随X射线望远镜就像莲花的花蕊，在太空中优雅绽放。

如今，经过一年多的运行，“天关”卫星取得了多项独有重大成果，已探测到160多例暂现天体，并引导全球各大空间和地面望远镜跟进观测。“‘天关’卫星取得的成果，已经展现出它发现新天体和新现象的卓越能力。”袁为民说，“未来它一定会获得更多关于动态宇宙的新发现，持续刷新人类对动态宇宙的认知。”（记者 陆成宽）