千年前古人记录下一颗奇异亮星，我们捕捉到它遗迹旁的“烟花” ，向全球发布警报 | 科学讲坛——张永合

发射后的41天，

一个暂现源在天关客星的遗迹旁被发现，

这是“天关”卫星首次向全球发布暂现源警报，

我想这是对千年前天关客星的一个呼应。

张永合 · 中国科学院微小卫星创新研究院副院长

格致论道第124期|2025年10月25日 北京

大家好，我是张永合，来自中国科学院微小卫星创新研究院。

我的工作是设计卫星、发射卫星，把天文学家的梦想变成工程现实，所以我是天文学家的朋友。但这不是一件容易的事情，因为天文学家的梦想很大，卫星不能无限大，所以我们必须懂得如何跟天文学家交流。

2024年，我们发射了一颗X射线天文卫星。这颗卫星能够给宇宙的“烟花”拍照，能够给我们带来远方宇宙的信息。我本人有12年的时间与这颗卫星相伴，并最终把它送上太空。今天，我就带来这颗卫星的故事。

“天关”破局

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在讲故事之前，我想先说说这颗卫星的名字——“天关”。“天关”顾名思义是天上的关卡。天关星位于金牛座，中国古代把天关星作为日月五星进出太空的门户。

1054年，天关星附近出现了一次超新星爆发，一颗亮星连续23天在白天可见。这个现象被当时的司天监完整地记录了下来，并称它为“天关客星”。

▲《宋史·仁宗本纪》

又过了几百年，天文学家在天关星旁边发现了一朵星云，并且这个星云还在膨胀。天文学家不知道云从哪里来，但偶然发现了中国古代对天关客星的记载，于是把这两件事情匹配上了。天关客星就是著名的蟹状星云的前身。

▲蟹状星云图片来源：NASA

一颗天关星就能给天文学家带来上千年的宇宙动态讯息，天文学家当然希望能够有更多的客星带来更多的宇宙讯息，这就是我们这一颗卫星取名为“天关”的原因，它需要与科学家一起去观测更多的暂现天体（在天空中突然出现、持续一段时间后辐射变暗或快速消失的天体现象）和爆发现象。

下图就是绚烂的、宇宙中的暂现源。（爱因斯坦探针卫星）首席科学家袁为民写了这样16个字——宇宙变换，客星隐现，黑洞耀发，引力追光。意思是在这样一个动态的宇宙中，有一些突然出现的客星给我们带来信息，有一些沉寂的黑洞把周围的恒星吸食、撕裂，也能够发出一些高能的辐射，重大的引力还会让一些光进行拐弯，等等。

▲宇宙中的暂现源

既然暂现源这么重要，科学家这么需要，事实情况如何呢？理想很丰满，现实很骨感。目前，人类对暂现源的认识还只是冰山的一角，能够发现的、浮出水面的其实是一些亮源，或者是离地球很近的源，我们的天文观测设备能够捕捉到它。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暂现源？我们不得而知。

在伽马和X射线等高能波段，技术上和工程上一直就有一个瓶颈，即兼具大视场和高灵敏度的望远镜一直都没有办法突破。从下图的四个区域可以看出，美国的SWIFT卫星视场很大，能够看到像伽马暴这样的亮星，但是不能够对那些高能的X射线进行聚焦成像。而像钱德拉和牛顿这样的望远镜，灵敏度非常高，但视场很小，只能去看一些已知的源，不能发现新源。

▲大视场与高灵敏度是一对矛盾

国际上的天文学家、技术人员都希望梦想区域内有既具备上千度大视场，又能实现高灵敏度的望远镜，但几十年来一直缺少这方面的突破。

中国的科学家也在努力。12年前，国家天文台的袁为民研究员和张臣来到了上海。那是我们第一次见面，他们给我介绍了一种名为“龙虾眼”的技术。这种技术可以把暂现源的位置定到1到5角分，利用仿生“龙虾眼”具有光滑侧壁的微孔可以极大地提升望远镜的灵敏度。

▲左：袁为民（左）、张臣

右：“龙虾眼”望远镜，国家天文台

袁为民老师希望发一颗小卫星，并且很便宜，但当时他的项目还没有申请到足够的经费来上空间站。当时我正在参加中法天文卫星的研究，在4个载荷当中有一个用来观测伽马暴的法方载荷ECLAIRs，它能够把伽马暴定位到5到10角分。我想，如果“龙虾眼”能够把这个精度提升到1到5角分，并且是由我们自己研制，那将是一件了不起的事情，然后我就欣然答应了袁为民老师的提议。

▲中法天文卫星（SVOM）

于是，在一个星期以内，我就给出了一版真是的小卫星方案，只有380千克，袁为民首席也对这件事情非常高兴，并跟国际上的同伴们进行分享，国际上就对这个卫星有很大的期待。

▲左：第一版卫星方案，380千克，1.9米；卫星创新院

右：张臣（左1），袁为民（左2）等与国际同行交流

2014年在北京，国际上很多天文学家都来研讨这样一颗小卫星的科学目标和先进技术。在这个时候，大家都提出来，这颗卫星不仅要能够看得见那些源，还需要能够看得清，于是就把卫星的其中一个模块做成了长焦距的望远镜，把它的视场做小，希望卫星发现了暂现源以后能再次机动地去观测它。

▲左：2014年卫星方案：卫星重量700公斤

右：国际空间科学研究所，北京，2014年5月

对于这样一个提议，我非常高兴。因为我正在做中法天文卫星，我的很多技术和已有方法能够用得上。再进行了一段时间的技术攻关，这颗卫星就进入了中国科学院对于下一代空间科学卫星的遴选。

很幸运，这颗卫星被遴选上了。在那一段时间，围绕这颗卫星举行了非常多的研讨会、论证会，每举行一次会议，大家就提出一些新想法来提升它的能力。在这个过程当中，袁为民老师经常给我打电话，一打就是半个小时到一个小时，商量能不能再加一些能力，能不能再加一些东西。

后来，“龙虾眼”从8只变到了12只。用“龙虾眼”做的望远镜从窄视场长焦距变成了性能更高的Wolter-I型，像洋葱一样，能用它光滑侧壁去掠射X射线的光子。卫星的重量也变到了1.1吨。

▲工程可行性论证阶段卫星方案：卫星重量1.1吨

左：宽视场望远镜从8台变到12台

中、右：后随望远镜改为Wolter-I型

这还不够，重量和数量只是一方面，在工程上还有很多其他的要求，这些要求驱动我们的卫星不停地去进行技术迭代。比如，”龙虾眼”望远镜下面有一个探测器，探测器希望在-30℃的温度下工作，那是哈尔滨冬天室外的温度。而“龙虾眼”的聚焦镜，需要在18℃的温度下工作，那应该是云南一年四季的温度。但是探测器和聚焦镜之间只有375毫米，所以必须用热管把探测器的温度导到前面的散热板上，还要把散热板对着冷太空，同时还要给镜片进行加热。这都是我们工程上需要解决的问题。

▲“龙虾眼”望远镜工程化设计

参加这个望远镜研制的有很多单位，既有国内的又有国外的。对后随望远镜，有几个很高的要求。比如聚焦镜，我们国家还没有技术，是欧空局提供了一个聚焦镜。这个聚焦镜的表面非常光滑，即便只有一粒灰尘，也会造成X射线的光子面积的损失，同时干涉它的定位。所以在整个过程当中，需要对聚焦镜的洁净度进行很好地控制，要求远高于光学，我们国家并没有这方面的经验。

▲后随望远镜工程化设计

后随望远镜的探测器是由德国提供的，是世界上最好的探测器，设计师视为珍宝。这个探测器要在-90℃下工作，这应该是南极的温度。在这样的温度要求下，我们对望远镜的集成、对卫星的集成产生了很多工程上的问题。

由于这样的一个探测器太珍贵了，设计师就设计了两个，想都用上去，如果一个坏了，另一个可以通过滑动机构滑过来继续用。这样的想法很有道理，但是作为总师，我是这颗卫星成败的第一技术负责人，所以有很多顾虑——如果滑动机构在中间发生了卡顿，那么两个探测器都会彻底地失去，于是始终下不了决心把这个方案往天上应用。

一份惊喜和两朵乌云

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在我们完成了一系列的设计以后，科学家的要求又有了一些变化。这颗卫星原来是观测晚上出现的探测源，但是科学家想白天也进行观测。白天的时候，这些探测源离太阳比较近，但是我们的设计并不允许太阳在我们的前面，这会干涉到我们的一些散热系统。

面对这个变化，由于有很多问题，我们很难抉择，而且这个时候立项已经一年多了，我们的压力也很大。在这个时候，我写了一封信给这个项目的指挥，说能不能给一些时间，把这两个问题合起来解决，于是我拿到了几个月的时间。之后，我就带领团队重新再进行设计，把所有的问题、所有的要求都摆在桌面上，抛弃以前的方案，出了一版全新方案。

这个方案是一个大变身，不仅增加了一个望远镜和了一个遮阳板，而且看上去也比以前更加漂亮了，就像一朵莲花。12个“龙虾眼”望远镜包围在周围，中间的2个望远镜像是长长的花蕊。

我们把火箭的空间全部用足了，即便如此，仍然不能把两个独立的望远镜容纳。于是我跟主任设计师陈勇商量后，采用了一个比较大胆而冒险的方案——把望远镜拆掉，用卫星桁架的支撑结构做望远镜的结构，再把聚焦镜和探测器分别进行集成。当然，这样做有一些责任也就回到了我的身上，我必须保证整个卫星的性能。在这种情况下，我们还是坚持这个方案，让大家更有信心地往下走。

▲左、中：新的望远镜方案

右：FXT主任设计师陈勇

为了解决高洁净度的问题，在新一版的设计当中，我们把管路设计进去，让每一片镜片都能够通过一个充氮的管路，然后用氮气对镜片进行保护，所以我们的卫星在任何时候，都充着洁净的空气，要么是充着氮气。

“龙虾眼”的视场拼成了3850平方度，而聚焦望远镜高精度的只有1平方度。

为了能让这两个视场自由地切换，我们用了6个飞轮和4个星敏感器，这样能够让它大角度地、快速地机动。这是一种豪华配置，科学家当然很开心，但是经费需求也越来越大。所以我写了很多的报告来解释我们要这样做的原因。

▲6个大力矩飞轮、4个星敏感器

天地之间的快速通信也是需要解决的问题。当探测到暂现源以后，需要把这些信息发送给地面、发送给其他的卫星、发送给大望远镜。当时中国的北斗系统还在研制当中，但我们已经预知了它的能力，把这一套系统给设计了进去。另外还有我参加中法天文卫星，我把法方的这一套地面系统也引入到了“天关”卫星当中来，这两套系统全都能够工作。科学家可以通过一台笔记本，能在任何有网络的地方看到观测的数据，并让卫星去观测感兴趣的目标等等。

至此，我们的卫星经过了漫长的迭代，终于有了一个雏形。它的视场是一个十字形，这出乎很多人的预料，大家都说卫星设计得不错，但是为什么视场不是方的？

▲十字形视场巡天

这是由于我们很多的约束，它实际上是一种优化，也是一种比较新颖的方式。这个视场能够在300分钟把半个夜天区全都给覆盖掉。

卫星的设计在这个时候才基本确定下来，我们还要进行很多技术攻关、技术验证，每两年一个节点。一直到2022年3月，整个项目的技术状态才确定了下来，我们才能够去研制飞行的卫星。

地面上能够做很多试验，但是这些试验都不能代表天上，而且“龙虾眼”望远镜是全世界首次要做这样大的视场、这样高的灵敏度的望远镜，我们更希望在天上能够有所验证。一个偶然的机会，“力箭一号”要发射。“力箭一号”的首飞没有卫星，科学院的领导认为可以上一些新技术。我恰好在抓这个工作，于是就跟大家一起把一颗“龙虾眼”的试验模块给搬到了天上。

▲左：张永合与“力箭一号”总师杨毅强，2022年7月27日

右：“天关”卫星探路者“莱娅”(LEIA)

“龙虾眼”的试验模块搬到了天上之后，我们获得了一份惊喜和两朵乌云。惊喜是国际上首次实现了大视场X射线的聚焦成像，两朵乌云一是WXT相机的相变热管的调节效率不好，这一点我们很快就进行了改正，另外的一个问题是CMOS探测器有失效现象。当时整个卫星在地面正在做试验，都不敢向下走了。

▲左：国际上首次实现大视场X射线聚焦成像观测

右：WXT相机的相变热管调节效率（快速解决）；CMOS探测器有失效现象（排除相关性）

于是，我们开始找原因，把国内的专家都请到了，把环境还有南北极等等，也都研究了一通。经过了几个月的研究、证明，我们认为由于这颗卫星是一颗极轨卫星，它在太阳风比较大的时候，再加上一些器件本身的缺陷，可能会出现这种情况，我们的“天关”卫星还是安全的。我们这才决定继续向下走。

在那之后，是两年的研制时间。一直到2023年6月，12台“龙虾眼”望远镜终于能够交付给卫星。

国际合作的后随望远镜一开始是面对面开会，到了后来是视频开会，最终所有的硬件也都交付了。2023年6月，两台望远镜全副武装地、高洁净度地运到了上海。

望远镜到了上海以后，我们希望2024年发射，卫星也在做着一些前期的工作，比如对大桁架结构材料除污染；把千级洁净间搭好，让卫星在一个高洁净度的单间里进行工作。

▲左：大桁架结构材料除污染

右：千级洁净间内装配

把卫星装配好以后，我们要进行模拟空间的冷热、真空的环境，但是由于两台长焦距聚焦镜需要的洁净度太高了，我们没有用真正要飞的那台聚焦镜，而是用了它的结构热控的模拟件。做完了实验以后，我们把要飞的聚焦镜给放上去，再进行一些模拟卫星发射的力学实验。

▲左：整星热试验

右：热试验后换上飞行的聚焦镜

整个力学实验过程当中，要充着洁净的空气，只有在开机振动的时候我们才会把空气给停掉。另外，还要把聚焦镜前端的眼睛用膜覆盖一遍。

▲左：模拟火箭发射振动试验

右：吹气、贴膜保护

到了发射场，我们也把洁净间搬到了发射场。在发射前夕，我们的队员不厌其烦地去擦洗那些整流罩，希望弄得一尘不染。

触摸水下冰山

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2024年1月9日，卫星从火箭上释放，当时也是龙年的春天。别人都在看这个卫星稳不稳，我在看屏幕上有没有白色污染物的飞出，最后的效果非常好。

发射后两个小时，我们拍了一张照片。在这个时候，卫星又经过了一次上空，传下来很多有效的信息，证明它是健康的、安全的。照相的时候，我们实际上是在发呆、放空。每次看到这张照片，我内心都很激动。因为它比较贴近我们的内心，比较符合我们执行大任务后的真实样子。

▲从左向右：常静波、蔡志鸣、张臣、张永合、孙小进、凌志兴

发射后的41天，很幸运地，一个暂现源在天关客星的（遗迹）旁边被发现。那时候正是大年初二，也是“天关”卫星首次向全球发布暂现源的警报，我想这是对千年前天关客星的一个呼应。

▲在天关客星遗迹（蟹状星云）旁捕捉到的暂现源（右上角）

发射后的51天，所有的载荷全都睁开了眼睛。在国家天文台，我和袁老师一起照了载荷的全家福照片。大家可以对比12年前袁老师和我的样子，放在这里主要不是想讲变老了，而是没什么变化。所以，大家如果要干天文卫星，我觉得你的青春是可以保值的。

▲距离我和袁为民首席第一次见面12年

在国际上，这颗卫星也是兢兢业业。美国NASA有一个网站，所有类似的卫星发现的暂现源都会在网站上进行发布。一开始，网站还没有考虑我们这颗卫星，但是这颗卫星实在是太有名了，国际上的科学家都在呼吁，所以后来，网站把我们的“天关”卫星列了进去。在网站上可以看到，10月21号、23号都有暂现源向全球发布。

再回到我们最初的问题：“天关”卫星有没有看到水下的冰山？我这里列举两个数据。“天关”卫星在轨一年半探测到了150例暂现源，其中快速X射线暂现源120例。这一类暂现源是比较暗、比较弱的，时间也比较短的，而之前所有的卫星总共只看到了30余例。所以，我认为“天关”卫星已经触摸到了水下的冰山，希望它在今后的时间给大家更多科学上的回报。

▲在轨一年半探测到150例暂现源，其中快速X射线暂现源120例

另外一个成果是“天关”卫星探测到了125亿年前发生的爆发源伽马暴，而且是在软X射线波段（X射线谱中能量较低的部分）。这是迄今为止在软X射线波段最远的爆发源。这两个数据都能够证明，“天关”卫星达到了原来科学家的设想，实现了科学家的梦想。我也觉得自己在这12年当中的工作非常值。

▲软X射线波段最远伽马暴（125亿光年）

最后，我想讲一讲关于天文卫星这种长周期项目的事情。对于一个人来讲，职业生涯当中没有几个12年，但是我们在中国做天文卫星有很大的优势。当我把这颗卫星跟中法天文卫星的法国伙伴分享的时候，他们说这样的卫星在欧洲工程研制就要十年，因为其中有12个聚焦镜、上亿个微孔、很多个镜片，以及众多的探测器。

所以，我说我们在中国做天文卫星浓缩了我们的职业生涯。当然，卫星看的是一百多亿年前的事情，在这种情况下，每个人的生命都很短暂，我这12年也不值一提了。

这是我们整个团队的照片。这样的场景在我们的工程当中、在我们的卫星事业当中很常见，希望大家关注，希望大家能够对中国的天文卫星给予更多的期望！

谢谢！

本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号