千年前古人記錄下一顆奇異亮星，我們捕捉到它遺跡旁的“煙花” ，向全球發布警報 | 科學講壇——張永合

發射后的41天，

一個暫現源在天關客星的遺跡旁被發現，

這是“天關”衛星首次向全球發布暫現源警報，

我想這是對千年前天關客星的一個呼應。

張永合 · 中國科學院微小衛星創新研究院副院長

格致論道第124期|2025年10月25日 北京

大家好，我是張永合，來自中國科學院微小衛星創新研究院。

我的工作是設計衛星、發射衛星，把天文學家的夢想變成工程現實，所以我是天文學家的朋友。但這不是一件容易的事情，因為天文學家的夢想很大，衛星不能無限大，所以我們必須懂得如何跟天文學家交流。

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

“天關”破局

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在講故事之前，我想先說說這顆衛星的名字——“天關”。“天關”顧名思義是天上的關卡。天關星位于金牛座，中國古代把天關星作為日月五星進出太空的門戶。

1054年，天關星附近出現了一次超新星爆發，一顆亮星連續23天在白天可見。這個現象被當時的司天監完整地記錄了下來，并稱它為“天關客星”。

▲《宋史·仁宗本紀》

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

▲蟹狀星云圖片來源：NASA

一顆天關星就能給天文學家帶來上千年的宇宙動態訊息，天文學家當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星取名為“天關”的原因，它需要與科學家一起去觀測更多的暫現天體（在天空中突然出現、持續一段時間后輻射變暗或快速消失的天體現象）和爆發現象。

下圖就是絢爛的、宇宙中的暫現源。（愛因斯坦探針衛星）首席科學家袁為民寫了這樣16個字——宇宙變換，客星隱現，黑洞耀發，引力追光。意思是在這樣一個動態的宇宙中，有一些突然出現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，也能夠發出一些高能的輻射，重大的引力還會讓一些光進行拐彎，等等。

▲宇宙中的暫現源

既然暫現源這么重要，科學家這么需要，事實情況如何呢？理想很豐滿，現實很骨感。目前，人類對暫現源的認識還只是冰山的一角，能夠發現的、浮出水面的其實是一些亮源，或者是離地球很近的源，我們的天文觀測設備能夠捕捉到它。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源？我們不得而知。

在伽馬和X射線等高能波段，技術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鏡一直都沒有辦法突破。從下圖的四個區域可以看出，美國的SWIFT衛星視場很大，能夠看到像伽馬暴這樣的亮星，但是不能夠對那些高能的X射線進行聚焦成像。而像錢德拉和牛頓這樣的望遠鏡，靈敏度非常高，但視場很小，只能去看一些已知的源，不能發現新源。

▲大視場與高靈敏度是一對矛盾

國際上的天文學家、技術人員都希望夢想區域內有既具備上千度大視場，又能實現高靈敏度的望遠鏡，但幾十年來一直缺少這方面的突破。

中國的科學家也在努力。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。這種技術可以把暫現源的位置定到1到5角分，利用仿生“龍蝦眼”具有光滑側壁的微孔可以極大地提升望遠鏡的靈敏度。

▲左：袁為民（左）、張臣

右：“龍蝦眼”望遠鏡，國家天文臺

袁為民老師希望發一顆小衛星，并且很便宜，但當時他的項目還沒有申請到足夠的經費來上空間站。當時我正在參加中法天文衛星的研究，在4個載荷當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，然后我就欣然答應了袁為民老師的提議。

▲中法天文衛星（SVOM）

于是，在一個星期以內，我就給出了一版真是的小衛星方案，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行分享，國際上就對這個衛星有很大的期待。

▲左：第一版衛星方案，380千克，1.9米；衛星創新院

右：張臣（左1），袁為民（左2）等與國際同行交流

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

▲左：2014年衛星方案：衛星重量700公斤

右：國際空間科學研究所，北京，2014年5月

對于這樣一個提議，我非常高興。因為我正在做中法天文衛星，我的很多技術和已有方法能夠用得上。再進行了一段時間的技術攻關，這顆衛星就進入了中國科學院對于下一代空間科學衛星的遴選。

很幸運，這顆衛星被遴選上了。在那一段時間，圍繞這顆衛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。在這個過程當中，袁為民老師經常給我打電話，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，能用它光滑側壁去掠射X射線的光子。衛星的重量也變到了1.1噸。

▲工程可行性論證階段衛星方案：衛星重量1.1噸

左：寬視場望遠鏡從8臺變到12臺

中、右：后隨望遠鏡改為Wolter-I型

這還不夠，重量和數量只是一方面，在工程上還有很多其他的要求，這些要求驅動我們的衛星不停地去進行技術迭代。比如，”龍蝦眼”望遠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，同時還要給鏡片進行加熱。這都是我們工程上需要解決的問題。

▲“龍蝦眼”望遠鏡工程化設計

參加這個望遠鏡研制的有很多單位，既有國內的又有國外的。對后隨望遠鏡，有幾個很高的要求。比如聚焦鏡，我們國家還沒有技術，是歐空局提供了一個聚焦鏡。這個聚焦鏡的表面非常光滑，即便只有一粒灰塵，也會造成X射線的光子面積的損失，同時干涉它的定位。所以在整個過程當中，需要對聚焦鏡的潔凈度進行很好地控制，要求遠高于光學，我們國家并沒有這方面的經驗。

▲后隨望遠鏡工程化設計

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

由于這樣的一個探測器太珍貴了，設計師就設計了兩個，想都用上去，如果一個壞了，另一個可以通過滑動機構滑過來繼續用。這樣的想法很有道理，但是作為總師，我是這顆衛星成敗的第一技術負責人，所以有很多顧慮——如果滑動機構在中間發生了卡頓，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用。

一份驚喜和兩朵烏云

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在我們完成了一系列的設計以后，科學家的要求又有了一些變化。這顆衛星原來是觀測晚上出現的探測源，但是科學家想白天也進行觀測。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。

面對這個變化，由于有很多問題，我們很難抉擇，而且這個時候立項已經一年多了，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，我就帶領團隊重新再進行設計，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”望遠鏡包圍在周圍，中間的2個望遠鏡像是長長的花蕊。

我們把火箭的空間全部用足了，即便如此，仍然不能把兩個獨立的望遠鏡容納。于是我跟主任設計師陳勇商量后，采用了一個比較大膽而冒險的方案——把望遠鏡拆掉，用衛星桁架的支撐結構做望遠鏡的結構，再把聚焦鏡和探測器分別進行集成。當然，這樣做有一些責任也就回到了我的身上，我必須保證整個衛星的性能。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：新的望遠鏡方案

右：FXT主任設計師陳勇

為了解決高潔凈度的問題，在新一版的設計當中，我們把管路設計進去，讓每一片鏡片都能夠通過一個充氮的管路，然后用氮氣對鏡片進行保護，所以我們的衛星在任何時候，都充著潔凈的空氣，要么是充著氮氣。

“龍蝦眼”的視場拼成了3850平方度，而聚焦望遠鏡高精度的只有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、快速地機動。這是一種豪華配置，科學家當然很開心，但是經費需求也越來越大。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。當探測到暫現源以后，需要把這些信息發送給地面、發送給其他的衛星、發送給大望遠鏡。當時中國的北斗系統還在研制當中，但我們已經預知了它的能力，把這一套系統給設計了進去。另外還有我參加中法天文衛星，我把法方的這一套地面系統也引入到了“天關”衛星當中來，這兩套系統全都能夠工作。科學家可以通過一臺筆記本，能在任何有網絡的地方看到觀測的數據，并讓衛星去觀測感興趣的目標等等。

至此，我們的衛星經過了漫長的迭代，終于有了一個雛形。它的視場是一個十字形，這出乎很多人的預料，大家都說衛星設計得不錯，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，它實際上是一種優化，也是一種比較新穎的方式。這個視場能夠在300分鐘把半個夜天區全都給覆蓋掉。

衛星的設計在這個時候才基本確定下來，我們還要進行很多技術攻關、技術驗證，每兩年一個節點。一直到2022年3月，整個項目的技術狀態才確定了下來，我們才能夠去研制飛行的衛星。

地面上能夠做很多試驗，但是這些試驗都不能代表天上，而且“龍蝦眼”望遠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鏡，我們更希望在天上能夠有所驗證。一個偶然的機會，“力箭一號”要發射。“力箭一號”的首飛沒有衛星，科學院的領導認為可以上一些新技術。我恰好在抓這個工作，于是就跟大家一起把一顆“龍蝦眼”的試驗模塊給搬到了天上。

▲左：張永合與“力箭一號”總師楊毅強，2022年7月27日

右：“天關”衛星探路者“萊婭”(LEIA)

“龍蝦眼”的試驗模塊搬到了天上之后，我們獲得了一份驚喜和兩朵烏云。驚喜是國際上首次實現了大視場X射線的聚焦成像，兩朵烏云一是WXT相機的相變熱管的調節效率不好，這一點我們很快就進行了改正，另外的一個問題是CMOS探測器有失效現象。當時整個衛星在地面正在做試驗，都不敢向下走了。

▲左：國際上首次實現大視場X射線聚焦成像觀測

右：WXT相機的相變熱管調節效率（快速解決）；CMOS探測器有失效現象（排除相關性）

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

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

國際合作的后隨望遠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，兩臺望遠鏡全副武裝地、高潔凈度地運到了上海。

望遠鏡到了上海以后，我們希望2024年發射，衛星也在做著一些前期的工作，比如對大桁架結構材料除污染；把千級潔凈間搭好，讓衛星在一個高潔凈度的單間里進行工作。

▲左：大桁架結構材料除污染

右：千級潔凈間內裝配

把衛星裝配好以后，我們要進行模擬空間的冷熱、真空的環境，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，而是用了它的結構熱控的模擬件。做完了實驗以后，我們把要飛的聚焦鏡給放上去，再進行一些模擬衛星發射的力學實驗。

▲左：整星熱試驗

右：熱試驗后換上飛行的聚焦鏡

整個力學實驗過程當中，要充著潔凈的空氣，只有在開機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：模擬火箭發射振動試驗

右：吹氣、貼膜保護

到了發射場，我們也把潔凈間搬到了發射場。在發射前夕，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

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2024年1月9日，衛星從火箭上釋放，當時也是龍年的春天。別人都在看這個衛星穩不穩，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。

發射后兩個小時，我們拍了一張照片。在這個時候，衛星又經過了一次上空，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，我們實際上是在發呆、放空。每次看到這張照片，我內心都很激動。因為它比較貼近我們的內心，比較符合我們執行大任務后的真實樣子。

▲從左向右：常靜波、蔡志鳴、張臣、張永合、孫小進、凌志興

發射后的41天，很幸運地，一個暫現源在天關客星的（遺跡）旁邊被發現。那時候正是大年初二，也是“天關”衛星首次向全球發布暫現源的警報，我想這是對千年前天關客星的一個呼應。

▲在天關客星遺跡（蟹狀星云）旁捕捉到的暫現源（右上角）

發射后的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，這顆衛星也是兢兢業業。美國NASA有一個網站，所有類似的衛星發現的暫現源都會在網站上進行發布。一開始，網站還沒有考慮我們這顆衛星，但是這顆衛星實在是太有名了，國際上的科學家都在呼吁，所以后來，網站把我們的“天關”衛星列了進去。在網站上可以看到，10月21號、23號都有暫現源向全球發布。

再回到我們最初的問題：“天關”衛星有沒有看到水下的冰山？我這里列舉兩個數據。“天關”衛星在軌一年半探測到了150例暫現源，其中快速X射線暫現源120例。這一類暫現源是比較暗、比較弱的，時間也比較短的，而之前所有的衛星總共只看到了30余例。所以，我認為“天關”衛星已經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上的回報。

▲在軌一年半探測到150例暫現源，其中快速X射線暫現源120例

另外一個成果是“天關”衛星探測到了125億年前發生的爆發源伽馬暴，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射線波段最遠的爆發源。這兩個數據都能夠證明，“天關”衛星達到了原來科學家的設想，實現了科學家的夢想。我也覺得自己在這12年當中的工作非常值。

▲軟X射線波段最遠伽馬暴（125億光年）

最后，我想講一講關于天文衛星這種長周期項目的事情。對于一個人來講，職業生涯當中沒有幾個12年，但是我們在中國做天文衛星有很大的優勢。當我把這顆衛星跟中法天文衛星的法國伙伴分享的時候，他們說這樣的衛星在歐洲工程研制就要十年，因為其中有12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星濃縮了我們的職業生涯。當然，衛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。

這是我們整個團隊的照片。這樣的場景在我們的工程當中、在我們的衛星事業當中很常見，希望大家關注，希望大家能夠對中國的天文衛星給予更多的期望！

謝謝！

本文轉載自《格致論道講壇》微信公眾號