發(fā)射后的41天，

一個暫現(xiàn)源在天關(guān)客星的遺跡旁被發(fā)現(xiàn)，

這是“天關(guān)”衛(wèi)星首次向全球發(fā)布暫現(xiàn)源警報，

我想這是對千年前天關(guān)客星的一個呼應(yīng)。

張永合 · 中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長

格致論道第124期|2025年10月25日 北京

大家好，我是張永合，來自中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院。

我的工作是設(shè)計衛(wèi)星、發(fā)射衛(wèi)星，把天文學(xué)家的夢想變成工程現(xiàn)實(shí)，所以我是天文學(xué)家的朋友。但這不是一件容易的事情，因?yàn)樘煳膶W(xué)家的夢想很大，衛(wèi)星不能無限大，所以我們必須懂得如何跟天文學(xué)家交流。

2024年，我們發(fā)射了一顆X射線天文衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星能夠給宇宙的“煙花”拍照，能夠給我們帶來遠(yuǎn)方宇宙的信息。我本人有12年的時間與這顆衛(wèi)星相伴，并最終把它送上太空。今天，我就帶來這顆衛(wèi)星的故事。

“天關(guān)”破局

已完成：10%/////////

在講故事之前，我想先說說這顆衛(wèi)星的名字——“天關(guān)”?！疤礻P(guān)”顧名思義是天上的關(guān)卡。天關(guān)星位于金牛座，中國古代把天關(guān)星作為日月五星進(jìn)出太空的門戶。

1054年，天關(guān)星附近出現(xiàn)了一次超新星爆發(fā)，一顆亮星連續(xù)23天在白天可見。這個現(xiàn)象被當(dāng)時的司天監(jiān)完整地記錄了下來，并稱它為“天關(guān)客星”。

▲《宋史·仁宗本紀(jì)》

又過了幾百年，天文學(xué)家在天關(guān)星旁邊發(fā)現(xiàn)了一朵星云，并且這個星云還在膨脹。天文學(xué)家不知道云從哪里來，但偶然發(fā)現(xiàn)了中國古代對天關(guān)客星的記載，于是把這兩件事情匹配上了。天關(guān)客星就是著名的蟹狀星云的前身。

▲蟹狀星云圖片來源：NASA

一顆天關(guān)星就能給天文學(xué)家?guī)砩锨甑挠钪鎰討B(tài)訊息，天文學(xué)家當(dāng)然希望能夠有更多的客星帶來更多的宇宙訊息，這就是我們這一顆衛(wèi)星取名為“天關(guān)”的原因，它需要與科學(xué)家一起去觀測更多的暫現(xiàn)天體（在天空中突然出現(xiàn)、持續(xù)一段時間后輻射變暗或快速消失的天體現(xiàn)象）和爆發(fā)現(xiàn)象。

下圖就是絢爛的、宇宙中的暫現(xiàn)源。（愛因斯坦探針衛(wèi)星）首席科學(xué)家袁為民寫了這樣16個字——宇宙變換，客星隱現(xiàn)，黑洞耀發(fā)，引力追光。意思是在這樣一個動態(tài)的宇宙中，有一些突然出現(xiàn)的客星給我們帶來信息，有一些沉寂的黑洞把周圍的恒星吸食、撕裂，也能夠發(fā)出一些高能的輻射，重大的引力還會讓一些光進(jìn)行拐彎，等等。

▲宇宙中的暫現(xiàn)源

既然暫現(xiàn)源這么重要，科學(xué)家這么需要，事實(shí)情況如何呢？理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。目前，人類對暫現(xiàn)源的認(rèn)識還只是冰山的一角，能夠發(fā)現(xiàn)的、浮出水面的其實(shí)是一些亮源，或者是離地球很近的源，我們的天文觀測設(shè)備能夠捕捉到它。水面以下是不是有重大的冰山，是不是有很多未知的暗弱的暫現(xiàn)源？我們不得而知。

在伽馬和X射線等高能波段，技術(shù)上和工程上一直就有一個瓶頸，即兼具大視場和高靈敏度的望遠(yuǎn)鏡一直都沒有辦法突破。從下圖的四個區(qū)域可以看出，美國的SWIFT衛(wèi)星視場很大，能夠看到像伽馬暴這樣的亮星，但是不能夠?qū)δ切└吣艿腦射線進(jìn)行聚焦成像。而像錢德拉和牛頓這樣的望遠(yuǎn)鏡，靈敏度非常高，但視場很小，只能去看一些已知的源，不能發(fā)現(xiàn)新源。

▲大視場與高靈敏度是一對矛盾

國際上的天文學(xué)家、技術(shù)人員都希望夢想?yún)^(qū)域內(nèi)有既具備上千度大視場，又能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的望遠(yuǎn)鏡，但幾十年來一直缺少這方面的突破。

中國的科學(xué)家也在努力。12年前，國家天文臺的袁為民研究員和張臣來到了上海。那是我們第一次見面，他們給我介紹了一種名為“龍蝦眼”的技術(shù)。這種技術(shù)可以把暫現(xiàn)源的位置定到1到5角分，利用仿生“龍蝦眼”具有光滑側(cè)壁的微孔可以極大地提升望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。

▲左：袁為民（左）、張臣

右：“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡，國家天文臺

袁為民老師希望發(fā)一顆小衛(wèi)星，并且很便宜，但當(dāng)時他的項(xiàng)目還沒有申請到足夠的經(jīng)費(fèi)來上空間站。當(dāng)時我正在參加中法天文衛(wèi)星的研究，在4個載荷當(dāng)中有一個用來觀測伽馬暴的法方載荷ECLAIRs，它能夠把伽馬暴定位到5到10角分。我想，如果“龍蝦眼”能夠把這個精度提升到1到5角分，并且是由我們自己研制，那將是一件了不起的事情，然后我就欣然答應(yīng)了袁為民老師的提議。

▲中法天文衛(wèi)星（SVOM）

于是，在一個星期以內(nèi)，我就給出了一版真是的小衛(wèi)星方案，只有380千克，袁為民首席也對這件事情非常高興，并跟國際上的同伴們進(jìn)行分享，國際上就對這個衛(wèi)星有很大的期待。

▲左：第一版衛(wèi)星方案，380千克，1.9米；衛(wèi)星創(chuàng)新院

右：張臣（左1），袁為民（左2）等與國際同行交流

2014年在北京，國際上很多天文學(xué)家都來研討這樣一顆小衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)和先進(jìn)技術(shù)。在這個時候，大家都提出來，這顆衛(wèi)星不僅要能夠看得見那些源，還需要能夠看得清，于是就把衛(wèi)星的其中一個模塊做成了長焦距的望遠(yuǎn)鏡，把它的視場做小，希望衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了暫現(xiàn)源以后能再次機(jī)動地去觀測它。

▲左：2014年衛(wèi)星方案：衛(wèi)星重量700公斤

右：國際空間科學(xué)研究所，北京，2014年5月

對于這樣一個提議，我非常高興。因?yàn)槲艺谧鲋蟹ㄌ煳男l(wèi)星，我的很多技術(shù)和已有方法能夠用得上。再進(jìn)行了一段時間的技術(shù)攻關(guān)，這顆衛(wèi)星就進(jìn)入了中國科學(xué)院對于下一代空間科學(xué)衛(wèi)星的遴選。

很幸運(yùn)，這顆衛(wèi)星被遴選上了。在那一段時間，圍繞這顆衛(wèi)星舉行了非常多的研討會、論證會，每舉行一次會議，大家就提出一些新想法來提升它的能力。在這個過程當(dāng)中，袁為民老師經(jīng)常給我打電話，一打就是半個小時到一個小時，商量能不能再加一些能力，能不能再加一些東西。

后來，“龍蝦眼”從8只變到了12只。用“龍蝦眼”做的望遠(yuǎn)鏡從窄視場長焦距變成了性能更高的Wolter-I型，像洋蔥一樣，能用它光滑側(cè)壁去掠射X射線的光子。衛(wèi)星的重量也變到了1.1噸。

▲工程可行性論證階段衛(wèi)星方案：衛(wèi)星重量1.1噸

左：寬視場望遠(yuǎn)鏡從8臺變到12臺

中、右：后隨望遠(yuǎn)鏡改為Wolter-I型

這還不夠，重量和數(shù)量只是一方面，在工程上還有很多其他的要求，這些要求驅(qū)動我們的衛(wèi)星不停地去進(jìn)行技術(shù)迭代。比如，”龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡下面有一個探測器，探測器希望在-30℃的溫度下工作，那是哈爾濱冬天室外的溫度。而“龍蝦眼”的聚焦鏡，需要在18℃的溫度下工作，那應(yīng)該是云南一年四季的溫度。但是探測器和聚焦鏡之間只有375毫米，所以必須用熱管把探測器的溫度導(dǎo)到前面的散熱板上，還要把散熱板對著冷太空，同時還要給鏡片進(jìn)行加熱。這都是我們工程上需要解決的問題。

▲“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡工程化設(shè)計

參加這個望遠(yuǎn)鏡研制的有很多單位，既有國內(nèi)的又有國外的。對后隨望遠(yuǎn)鏡，有幾個很高的要求。比如聚焦鏡，我們國家還沒有技術(shù)，是歐空局提供了一個聚焦鏡。這個聚焦鏡的表面非常光滑，即便只有一?；覊m，也會造成X射線的光子面積的損失，同時干涉它的定位。所以在整個過程當(dāng)中，需要對聚焦鏡的潔凈度進(jìn)行很好地控制，要求遠(yuǎn)高于光學(xué)，我們國家并沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)。

▲后隨望遠(yuǎn)鏡工程化設(shè)計

后隨望遠(yuǎn)鏡的探測器是由德國提供的，是世界上最好的探測器，設(shè)計師視為珍寶。這個探測器要在-90℃下工作，這應(yīng)該是南極的溫度。在這樣的溫度要求下，我們對望遠(yuǎn)鏡的集成、對衛(wèi)星的集成產(chǎn)生了很多工程上的問題。

由于這樣的一個探測器太珍貴了，設(shè)計師就設(shè)計了兩個，想都用上去，如果一個壞了，另一個可以通過滑動機(jī)構(gòu)滑過來繼續(xù)用。這樣的想法很有道理，但是作為總師，我是這顆衛(wèi)星成敗的第一技術(shù)負(fù)責(zé)人，所以有很多顧慮——如果滑動機(jī)構(gòu)在中間發(fā)生了卡頓，那么兩個探測器都會徹底地失去，于是始終下不了決心把這個方案往天上應(yīng)用。

一份驚喜和兩朵烏云

已完成：40%//////////

在我們完成了一系列的設(shè)計以后，科學(xué)家的要求又有了一些變化。這顆衛(wèi)星原來是觀測晚上出現(xiàn)的探測源，但是科學(xué)家想白天也進(jìn)行觀測。白天的時候，這些探測源離太陽比較近，但是我們的設(shè)計并不允許太陽在我們的前面，這會干涉到我們的一些散熱系統(tǒng)。

面對這個變化，由于有很多問題，我們很難抉擇，而且這個時候立項(xiàng)已經(jīng)一年多了，我們的壓力也很大。在這個時候，我寫了一封信給這個項(xiàng)目的指揮，說能不能給一些時間，把這兩個問題合起來解決，于是我拿到了幾個月的時間。之后，我就帶領(lǐng)團(tuán)隊重新再進(jìn)行設(shè)計，把所有的問題、所有的要求都擺在桌面上，拋棄以前的方案，出了一版全新方案。

這個方案是一個大變身，不僅增加了一個望遠(yuǎn)鏡和了一個遮陽板，而且看上去也比以前更加漂亮了，就像一朵蓮花。12個“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡包圍在周圍，中間的2個望遠(yuǎn)鏡像是長長的花蕊。

我們把火箭的空間全部用足了，即便如此，仍然不能把兩個獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡容納。于是我跟主任設(shè)計師陳勇商量后，采用了一個比較大膽而冒險的方案——把望遠(yuǎn)鏡拆掉，用衛(wèi)星桁架的支撐結(jié)構(gòu)做望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)，再把聚焦鏡和探測器分別進(jìn)行集成。當(dāng)然，這樣做有一些責(zé)任也就回到了我的身上，我必須保證整個衛(wèi)星的性能。在這種情況下，我們還是堅持這個方案，讓大家更有信心地往下走。

▲左、中：新的望遠(yuǎn)鏡方案

右：FXT主任設(shè)計師陳勇

為了解決高潔凈度的問題，在新一版的設(shè)計當(dāng)中，我們把管路設(shè)計進(jìn)去，讓每一片鏡片都能夠通過一個充氮的管路，然后用氮?dú)鈱︾R片進(jìn)行保護(hù)，所以我們的衛(wèi)星在任何時候，都充著潔凈的空氣，要么是充著氮?dú)狻?/p>

“龍蝦眼”的視場拼成了3850平方度，而聚焦望遠(yuǎn)鏡高精度的只有1平方度。

為了能讓這兩個視場自由地切換，我們用了6個飛輪和4個星敏感器，這樣能夠讓它大角度地、快速地機(jī)動。這是一種豪華配置，科學(xué)家當(dāng)然很開心，但是經(jīng)費(fèi)需求也越來越大。所以我寫了很多的報告來解釋我們要這樣做的原因。

▲6個大力矩飛輪、4個星敏感器

天地之間的快速通信也是需要解決的問題。當(dāng)探測到暫現(xiàn)源以后，需要把這些信息發(fā)送給地面、發(fā)送給其他的衛(wèi)星、發(fā)送給大望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)時中國的北斗系統(tǒng)還在研制當(dāng)中，但我們已經(jīng)預(yù)知了它的能力，把這一套系統(tǒng)給設(shè)計了進(jìn)去。另外還有我參加中法天文衛(wèi)星，我把法方的這一套地面系統(tǒng)也引入到了“天關(guān)”衛(wèi)星當(dāng)中來，這兩套系統(tǒng)全都能夠工作?？茖W(xué)家可以通過一臺筆記本，能在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方看到觀測的數(shù)據(jù)，并讓衛(wèi)星去觀測感興趣的目標(biāo)等等。

至此，我們的衛(wèi)星經(jīng)過了漫長的迭代，終于有了一個雛形。它的視場是一個十字形，這出乎很多人的預(yù)料，大家都說衛(wèi)星設(shè)計得不錯，但是為什么視場不是方的？

▲十字形視場巡天

這是由于我們很多的約束，它實(shí)際上是一種優(yōu)化，也是一種比較新穎的方式。這個視場能夠在300分鐘把半個夜天區(qū)全都給覆蓋掉。

衛(wèi)星的設(shè)計在這個時候才基本確定下來，我們還要進(jìn)行很多技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)驗(yàn)證，每兩年一個節(jié)點(diǎn)。一直到2022年3月，整個項(xiàng)目的技術(shù)狀態(tài)才確定了下來，我們才能夠去研制飛行的衛(wèi)星。

地面上能夠做很多試驗(yàn)，但是這些試驗(yàn)都不能代表天上，而且“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡是全世界首次要做這樣大的視場、這樣高的靈敏度的望遠(yuǎn)鏡，我們更希望在天上能夠有所驗(yàn)證。一個偶然的機(jī)會，“力箭一號”要發(fā)射?！傲惶枴钡氖罪w沒有衛(wèi)星，科學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為可以上一些新技術(shù)。我恰好在抓這個工作，于是就跟大家一起把一顆“龍蝦眼”的試驗(yàn)?zāi)K給搬到了天上。

▲左：張永合與“力箭一號”總師楊毅強(qiáng)，2022年7月27日

右：“天關(guān)”衛(wèi)星探路者“萊婭”(LEIA)

“龍蝦眼”的試驗(yàn)?zāi)K搬到了天上之后，我們獲得了一份驚喜和兩朵烏云。驚喜是國際上首次實(shí)現(xiàn)了大視場X射線的聚焦成像，兩朵烏云一是WXT相機(jī)的相變熱管的調(diào)節(jié)效率不好，這一點(diǎn)我們很快就進(jìn)行了改正，另外的一個問題是CMOS探測器有失效現(xiàn)象。當(dāng)時整個衛(wèi)星在地面正在做試驗(yàn)，都不敢向下走了。

▲左：國際上首次實(shí)現(xiàn)大視場X射線聚焦成像觀測

右：WXT相機(jī)的相變熱管調(diào)節(jié)效率（快速解決）；CMOS探測器有失效現(xiàn)象（排除相關(guān)性）

于是，我們開始找原因，把國內(nèi)的專家都請到了，把環(huán)境還有南北極等等，也都研究了一通。經(jīng)過了幾個月的研究、證明，我們認(rèn)為由于這顆衛(wèi)星是一顆極軌衛(wèi)星，它在太陽風(fēng)比較大的時候，再加上一些器件本身的缺陷，可能會出現(xiàn)這種情況，我們的“天關(guān)”衛(wèi)星還是安全的。我們這才決定繼續(xù)向下走。

在那之后，是兩年的研制時間。一直到2023年6月，12臺“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡終于能夠交付給衛(wèi)星。

國際合作的后隨望遠(yuǎn)鏡一開始是面對面開會，到了后來是視頻開會，最終所有的硬件也都交付了。2023年6月，兩臺望遠(yuǎn)鏡全副武裝地、高潔凈度地運(yùn)到了上海。

望遠(yuǎn)鏡到了上海以后，我們希望2024年發(fā)射，衛(wèi)星也在做著一些前期的工作，比如對大桁架結(jié)構(gòu)材料除污染；把千級潔凈間搭好，讓衛(wèi)星在一個高潔凈度的單間里進(jìn)行工作。

▲左：大桁架結(jié)構(gòu)材料除污染

右：千級潔凈間內(nèi)裝配

把衛(wèi)星裝配好以后，我們要進(jìn)行模擬空間的冷熱、真空的環(huán)境，但是由于兩臺長焦距聚焦鏡需要的潔凈度太高了，我們沒有用真正要飛的那臺聚焦鏡，而是用了它的結(jié)構(gòu)熱控的模擬件。做完了實(shí)驗(yàn)以后，我們把要飛的聚焦鏡給放上去，再進(jìn)行一些模擬衛(wèi)星發(fā)射的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

▲左：整星熱試驗(yàn)

右：熱試驗(yàn)后換上飛行的聚焦鏡

整個力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，要充著潔凈的空氣，只有在開機(jī)振動的時候我們才會把空氣給停掉。另外，還要把聚焦鏡前端的眼睛用膜覆蓋一遍。

▲左：模擬火箭發(fā)射振動試驗(yàn)

右：吹氣、貼膜保護(hù)

到了發(fā)射場，我們也把潔凈間搬到了發(fā)射場。在發(fā)射前夕，我們的隊員不厭其煩地去擦洗那些整流罩，希望弄得一塵不染。

觸摸水下冰山

已完成：70%//////////

2024年1月9日，衛(wèi)星從火箭上釋放，當(dāng)時也是龍年的春天。別人都在看這個衛(wèi)星穩(wěn)不穩(wěn)，我在看屏幕上有沒有白色污染物的飛出，最后的效果非常好。

發(fā)射后兩個小時，我們拍了一張照片。在這個時候，衛(wèi)星又經(jīng)過了一次上空，傳下來很多有效的信息，證明它是健康的、安全的。照相的時候，我們實(shí)際上是在發(fā)呆、放空。每次看到這張照片，我內(nèi)心都很激動。因?yàn)樗容^貼近我們的內(nèi)心，比較符合我們執(zhí)行大任務(wù)后的真實(shí)樣子。

▲從左向右：常靜波、蔡志鳴、張臣、張永合、孫小進(jìn)、凌志興

發(fā)射后的41天，很幸運(yùn)地，一個暫現(xiàn)源在天關(guān)客星的（遺跡）旁邊被發(fā)現(xiàn)。那時候正是大年初二，也是“天關(guān)”衛(wèi)星首次向全球發(fā)布暫現(xiàn)源的警報，我想這是對千年前天關(guān)客星的一個呼應(yīng)。

▲在天關(guān)客星遺跡（蟹狀星云）旁捕捉到的暫現(xiàn)源（右上角）

發(fā)射后的51天，所有的載荷全都睜開了眼睛。在國家天文臺，我和袁老師一起照了載荷的全家福照片。大家可以對比12年前袁老師和我的樣子，放在這里主要不是想講變老了，而是沒什么變化。所以，大家如果要干天文衛(wèi)星，我覺得你的青春是可以保值的。

▲距離我和袁為民首席第一次見面12年

在國際上，這顆衛(wèi)星也是兢兢業(yè)業(yè)。美國NASA有一個網(wǎng)站，所有類似的衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的暫現(xiàn)源都會在網(wǎng)站上進(jìn)行發(fā)布。一開始，網(wǎng)站還沒有考慮我們這顆衛(wèi)星，但是這顆衛(wèi)星實(shí)在是太有名了，國際上的科學(xué)家都在呼吁，所以后來，網(wǎng)站把我們的“天關(guān)”衛(wèi)星列了進(jìn)去。在網(wǎng)站上可以看到，10月21號、23號都有暫現(xiàn)源向全球發(fā)布。

再回到我們最初的問題：“天關(guān)”衛(wèi)星有沒有看到水下的冰山？我這里列舉兩個數(shù)據(jù)。“天關(guān)”衛(wèi)星在軌一年半探測到了150例暫現(xiàn)源，其中快速X射線暫現(xiàn)源120例。這一類暫現(xiàn)源是比較暗、比較弱的，時間也比較短的，而之前所有的衛(wèi)星總共只看到了30余例。所以，我認(rèn)為“天關(guān)”衛(wèi)星已經(jīng)觸摸到了水下的冰山，希望它在今后的時間給大家更多科學(xué)上的回報。

▲在軌一年半探測到150例暫現(xiàn)源，其中快速X射線暫現(xiàn)源120例

另外一個成果是“天關(guān)”衛(wèi)星探測到了125億年前發(fā)生的爆發(fā)源伽馬暴，而且是在軟X射線波段（X射線譜中能量較低的部分）。這是迄今為止在軟X射線波段最遠(yuǎn)的爆發(fā)源。這兩個數(shù)據(jù)都能夠證明，“天關(guān)”衛(wèi)星達(dá)到了原來科學(xué)家的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家的夢想。我也覺得自己在這12年當(dāng)中的工作非常值。

▲軟X射線波段最遠(yuǎn)伽馬暴（125億光年）

最后，我想講一講關(guān)于天文衛(wèi)星這種長周期項(xiàng)目的事情。對于一個人來講，職業(yè)生涯當(dāng)中沒有幾個12年，但是我們在中國做天文衛(wèi)星有很大的優(yōu)勢。當(dāng)我把這顆衛(wèi)星跟中法天文衛(wèi)星的法國伙伴分享的時候，他們說這樣的衛(wèi)星在歐洲工程研制就要十年，因?yàn)槠渲杏?2個聚焦鏡、上億個微孔、很多個鏡片，以及眾多的探測器。

所以，我說我們在中國做天文衛(wèi)星濃縮了我們的職業(yè)生涯。當(dāng)然，衛(wèi)星看的是一百多億年前的事情，在這種情況下，每個人的生命都很短暫，我這12年也不值一提了。

這是我們整個團(tuán)隊的照片。這樣的場景在我們的工程當(dāng)中、在我們的衛(wèi)星事業(yè)當(dāng)中很常見，希望大家關(guān)注，希望大家能夠?qū)χ袊奶煳男l(wèi)星給予更多的期望！

謝謝！

本文轉(zhuǎn)載自《格致論道講壇》微信公眾號