为了考验要去外太空的相机，我们造了一个“宇宙环境模拟器”！

那一抹红，格外清晰；那五颗星，格外闪耀！2024年，嫦娥六号成功登陆月球背面，并传回了大量清晰的月背真实画面。其中，五星红旗在月背展示的画面火爆全网，网友们感叹祖国强大的同时，也被这异常清晰的画面所震撼。

嫦娥六号在月球背面的国旗展示影像

（图片来源：国家航天局）

一张张清晰照片的背后，其实是无数科研人的付出与努力。因为宇宙环境和地面环境有着本质区别，导致普通相机在极端环境下根本无法运行，因此，科研人员需要对空间相机进行特殊设计，才能在太空中拍出清晰的画面。这些高清照片的获取，不仅标志着我国具有了自主生产深空相机的能力，还彰显了我国科研人员征服宇宙的决心——以太空相机的“眼睛”去探索浩瀚的宇宙星空。

要上太空的相机，在宇宙环境中会面临哪些挑战？

在温度方面，宇宙空间接近真空，温度变化剧烈。近地轨道在光照状态下，温度可达120摄氏度以上，而背阳面的温度则可能低于零下150摄氏度甚至更低，例如：月球表面在白天的温度可达127摄氏度，而在夜晚则可降至零下183摄氏度。相比之下，由于大气层缓冲，地面温度变化相对平稳，通常在零下50摄氏度到零上50摄氏度之间，具体数值取决于地表位置、土壤深度及海拔高度等因素。

宇宙空间中这种极大的温差会导致相机出现一系列问题：材料（金属、光学玻璃、粘合剂）热胀冷缩、电子元件性能下降或失效、光学镜片变形及脱焦、机械结构卡死或开裂等。除此之外，环境的变化还会直接影响成像质量，造成像质不清晰、像素不稳定、像元失真等情况。

在辐射方面，宇宙空间中存在大量的宇宙射线、太阳风等高能粒子，这些粒子对电子设备具有毁灭性伤害——它们会穿透相机外壳，破坏电子元件（如传感器、存储器），导致图像噪声增加或设备故障。太阳辐射是主要来源，其强度约1357瓦每平方米（太阳常数），并呈现昼夜周期变化，如月球表面会经历长达14天的极黑环境，在这种冷黑环境中，会引起相机传感器误捕自身热辐射。

相比之下，地球表面有臭氧层吸收部分宇宙射线，地表辐射约0.3μSv/h（微西弗每小时）。所以，航天器需铅、聚乙烯等屏蔽材料进行防护。而在太空环境中，辐射无处不在，相机设备需要同时应对光照强辐射和背阳面弱辐射的双重状态。因此，如何在太空进行昼夜变化测量、长时间探测、高可靠的拍照等，都面临巨大的挑战。

在压强和湿度方面，宇宙环境中的这两项参数均处于绝对状态。压强接近真空（约10的负14次方帕，近地轨道约10的负7次方帕），与标准大气压（约101.3千帕）形成鲜明对比；湿度为绝对干燥状态，如航天器需要利用人工系统完成水循环。而地面环境则相对温和，相对湿度通常在20%-90%之间。

上述因素也会对相机的灵敏度造成影响，降低成像质量。具体表现为：真空会导致材料挥发（如润滑剂蒸发）、密封失效或结构变形。同时，由于缺乏空气对流散热，热量只能通过辐射散失，导致散热速度极慢，而温差的变化也会导致镜头折射率变化，引入像差。在近乎全黑环境下，微弱星光、宇宙射线、传感器暗电流均会产生伪信号，导致结果不准确。

此外，微重力环境下，相机的机械结构可能因缺乏重力支撑而松动，影响对焦精度或镜头稳定性；太空中的强光（如直射太阳光）或弱光（如深空探测）会超出普通相机的动态范围，导致过曝或欠曝。

嫦娥六号着陆器降落，相机拍摄的月背影像图

（图片来源：国家航天局）

这些特殊的环境均会对相机的灵敏度造成影响，影响成像质量。

普通的相机到太空中，还能拍出清晰的照片吗？

那么对于普通的相机到了太空中，还能拍出清晰的照片吗？答案显然是不能。这不仅涉及相机材质上的不同，更关键的是太空极端环境带来的多重挑战：气压变化、极端高低温变化、极端辐射环境。具体表现为：

（1）材料与结构无法承受极端环境：普通相机的外壳、密封件和润滑剂无法适应真空或极端温度。如：普通相机的外部材料会在极端高温、极端低温下发生材料变形及结构融化等；

（2）电子元件缺乏抗辐射设计：普通相机的传感器和电路板会因辐射快速失效。如：相机内部的电子学线路和电学板卡（电路板）会同时受到高辐射和低辐射的影响——高辐射会毁坏相机内部电学结构，低辐射则会引入弱杂光信号。

（3）光学系统未针对空间环境优化：普通镜头的镀膜和透光率无法适应太空中的强光或弱光条件。如：光学系统内部光源与太空探测需求不匹配，多波长的信号杂光影响，或光学系统结构内的光学元件镀膜、控制系统及信号传输在太空环境下可能会出现膜层脱落、信号传输中断、光学元件移位等问题。

（4）散热与热控缺失：普通相机依赖空气对流散热，在真空中无法通过这一途径散热，会因过热导致性能下降。

因此，要想相机上太空，相机就得具备一些特殊能力：

（1）采用多层隔热材料、热辐射器、相变材料（PCM）或主动加热/冷却系统。例如，哈勃望远镜的镜面采用低膨胀系数的熔石英，并配备热控涂层以维持温度稳定，使用镍钛合金支架抵消热变形，多层镀膜减少热辐射。

（2）使用抗辐射加固的电子元件（如辐射硬化CMOS，CMOS是主流图像传感器的核心技术）、屏蔽材料（如钽、聚乙烯）和冗余电路设计。例如，火星探测器上的相机采用抗辐射FPGA芯片，确保在强辐射环境下仍能正常工作；詹姆斯-韦伯望远镜的主镜采用金镀层以优化红外反射率，其红外传感器需低温环境。近红外仪器通过遮阳罩被动冷却至约零下234摄氏度，而中红外仪器（MIRI）需主动制冷至零下267摄氏度。五层遮阳罩隔离太阳热源，确保望远镜在极低温下运行。

（3）使用无挥发性润滑剂、真空密封接头和抗真空出气的材料（如钛合金、陶瓷）。例如，国际空间站的相机采用全金属密封结构，避免气体释放污染光学系统。

（4）采用刚性框架、锁紧机构或主动姿态控制系统（如陀螺仪）。例如，詹姆斯·韦伯望远镜的镜面通过微推进器保持稳定，避免微重力导致的形变。

（5）使用大尺寸传感器、多光谱成像、HDR合成（高动态范围成像）或低温冷却（降低热噪声）等技术。例如，深空探测相机采用制冷型CCD传感器（电荷耦合器件），灵敏度比普通相机高1000倍以上。

如何让相机提前适应太空环境？我们提出了新思路

为确保相机适应外太空极端环境，科研团队过去主要依赖极地测试、液氮实验室测试、真空模拟、辐射环境模拟及热循环测试等传统方法。通过模拟太空中的低温、真空、高辐射及剧烈温差等条件，验证相机的可靠性。

然而，这些方法存在显著局限性：极地测试需在极端自然环境中操作，面临低温、强风及后勤保障困难，甚至可能因设备故障导致人员冻伤；液氮测试虽能模拟极低温，但液氮的低温危险性、挥发导致的缺氧风险及操作复杂性常引发安全事故；真空测试周期漫长且成本高昂，舱体密封失效或材料挥发等问题会延误项目进度；辐射测试依赖放射性物质或高能粒子加速器，存在辐射泄漏风险，设备故障还可能直接损坏相机；热循环测试中，反复热应力（指周期性温度变化引发的交变热应力）易导致机械疲劳，传感器焊点脱落或结构裂纹等问题频发。

针对以上问题，我们团队（中国科学院西安光学精密机械研究所精密计量技术研究中心，2025年6月改名为激光应用技术研究室）提出在实验室造一个“宇宙环境模拟器”的新思路，专业的说法叫做低温真空冷背景模拟系统，或者极低温红外目标模拟系统。该系统用成熟的真空罐作为测试环境平台，既可以模拟真空环境，还可以克服实验室环境温度变化带来的测试不稳定性。

在真空罐内，我们团队创新性地用铝材料设计了一套反射式光学系统——反射镜和支撑结构均采用铝材料，满足极低温无热化设计要求，还为光学系统用热控技术做了一套“衣裳”，让光学系统“凉透”，从而实现极低温目标的输出。利用这套系统，科研人员在实验室就可以直接进行各类红外相机测试，安全又便捷。

极低温红外目标模拟系统实物图

（来源：中国科学院西安光机所）

注：波长作为相机设计的核心指标之一，代表着相机看到光波的类型，在光学领域，光的分类通常用波长进行划分，我们光电行业用的最多的谱段通常包括紫外波段，可见光波段，近红外波段，中长波红外波段等，人眼能够看到的波长称为可见光波段，我们的彩虹颜色就是因为不同的波长分布导致的，能够被人眼看到都属于可见光波段。在宇宙深空环境，还分布着大量人眼不可见的目标，但是人眼不可见不代表仪器设备不可见，这一类不可见光就包括红外波段。红外相机就是就是专为捕捉这些不可见红外辐射而设计的成像设备。

思路形成后难题接踵而至，我们迎难而上

设计之初，我们想要研发一种能够模拟多维度极端环境参数的综合测试设备，涵盖极端温度、真空环境、高温辐射等极端条件。用户提出的指标在当时国内外都是难度极高的——国内成功案例很少，且各类装置的指标达不到我们的要求；欧美各国虽有应用案例，但都用于军事领域，其技术参数和技术路线都受到严格保密。因此，我们也只能自主探索。总而言之，这个任务对整个国内科研队伍而言都是一项重大技术挑战。

要想实现宇宙环境模拟，必须攻克众多难点。如何让不同的极端环境参数“不打架”，做到“协同工作”？这就像同时用空调、微波炉、电吹风和磁悬浮装置工作，但要求它们互不干扰——需要开发精密的“环境调度系统”。对于极端温度控制，如何让设备同时模拟并承受住“冷如深空，热如烈日”两种环境？另外，如何“看清”极端环境下的细微变化？就像在暴风雪中用显微镜观察雪花，还要要求显微镜不能被冻坏或吹跑。此外，还需要兼顾对造价成本的控制。

就无热化设计来说，当精密光学系统面临极端低温环境下的“变形”挑战时，我们团队针对这个问题产生了两种声音：一种认为应该用传统光学材料，采用稳扎稳打方式去尝试；另一种支持用全新的铝材料制作在极低温环境下工作的反射镜——这在以前没有应用案例，在国内外公开报道中均属于首例。

经过深入论证，我们最终还是决定采用铝制反射镜方案！为了确保不出问题，我们联系了国内优秀的加工厂商，在不作材料表面改性（铝较软，表面改性是为了便于加工）的前提下，将铝镜面型（衡量光学元件表面质量的指标）加工到了国内最高水平，在低温下达到了良好的效果。此外，我们团队突破了低温制冷技术、精密控温系统、冷量传输方案及高效隔热工艺等技术瓶颈。

“宇宙环境模拟器”成功交付！

经过两年的科研攻关，我们团队创新性地提出了基于全铝材质的大口径光学无热化结构和基于红外自发辐射杂散光抑制设计方案，构建出全系统分区控温指标，成功满足了目标模拟系统的快速制冷需求，可模拟零下163摄氏度极低温宇宙环境目标，攻克了±0.1摄氏度级精密温控难题，最终于2025年4月2日成功交付！

以嫦娥六号探测器为例，2024年6月，其在月球背面着陆并进行了为期约2天的月背探测及采样工作。我们单位（中国科学院西安光机所月球与深空探测技术研究室）研制的全景相机和远摄相机在探测器表取、采样及国旗展示等任务中发挥了重要作用。这些成果都离不开各类目标模拟系统的测试支持，我们这台模拟器可为各类红外相机的组装测试、发射前的地面标定、性能评定提供“真实”的环境和目标支撑，确保在地面就能完成对各项指标的测试评价，提高产品性能，降低在轨运行风险。

我们研制的这台极低温目标模拟系统性能达国内外领先水平，后续可以用来支撑各类航空航天任务。例如，为“天问三号”火星采样返回任务的高分辨率相机提供全环境验证；参与新一代空间站光学载荷的可靠性测试等。

“宇宙环境模拟器”的成功交付，不仅标志着我国成为全球少数掌握航天器全环境测试技术的国家，更通过技术降本与产业赋能，推动航天器可靠性提升30%以上、商业航天成本降低40%，为深空探测、载人航天等国家战略任务提供了“从实验室到太空”的全链条保障，重塑了全球空间技术竞争格局。

这一成果的突破，将加速我国从“航天大国”向“航天强国”迈进，为未来星际探索、太空资源开发等前沿领域奠定坚实基础。

未来，随着发展的不断需要，我们的“宇宙环境模拟器”也会随之改进。例如，对极端环境参数扩展（进行原子氧侵蚀模拟、微流星体与空间碎片撞击测试）；引入AI算法动态调整真空度、温度、辐射剂量与微重力参数，为“天问四号”木星探测器载荷测试，实现零下180摄氏度至零上400摄氏度极端温变与高能粒子辐射的联合加载；对于环境梯度控制，在真空舱内实现温度梯度（如一侧零下100摄氏度，另一侧零上120摄氏度）与辐射剂量梯度（0-100rad/s，总剂量100万rad，rad是电离辐射吸收剂量的传统专用单位）的分区控制，模拟航天器复杂热-辐射耦合环境。

长远来说，可能进行：

（1）下一代模拟器原型机研发（2025-2030），实现“五参数耦合”（真空+温度+辐射+微重力+电磁场），扩展参数范围。真空度：不超过10的负9次方帕（接近星际空间）；温度：零下270摄氏度（接近绝对零度）至零上2000摄氏度（再入大气层热防护测试）；辐射环境：覆盖电磁波（伽马/X射线，0.1keV-10MeV）与粒子辐射（质子、中子、重离子）。

（2）联合ESA（欧洲航天局）、JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）共建“全球太空环境测试网络”，共享测试数据与模型。主导制定《航天器多物理场测试国际标准》，提升我国在空间技术领域的话语权。

未来10年，“宇宙环境模拟器”将向“全参数、全尺度、全智能”方向演进，从单一测试设备升级为“太空环境生态圈”的核心枢纽。我们团队计划通过技术迭代与跨学科融合，将我国航天器在轨可靠性提升至新的水平，测试效率大幅度提高，并推动太空资源开发、深空通信等新兴领域的技术突破，最终实现“地面模拟精度超越太空真实环境”的终极目标。

出品：科普中国

作者：李朝辉（中国科学院西安光学精密机械研究所）

监制：中国科普博览