他们让中国的主动光电载荷遨游太空

 

嫦娥激光三维敏感器工程样机测试。  本文图片 中国科学院上海技术物理研究所 

承担“嫦娥一号”到“嫦娥五号”科学与工程载荷研制任务，为世界首颗量子实验卫星“墨子号”研制量子密钥通信机、量子纠缠发射机两大主载荷，为“天问一号”首次火星探测任务研制祝融号火星车上的火星表面成分探测仪……

这背后是一支在实践中成长起来的研究团队——中国科学院上海技术物理研究所（以下简称“上海技物所”）空间主动光电载荷研制团队，目前成员的平均年龄不足40岁。

20年科技创新实践中，空间主动光电载荷研制团队在探月工程、火星探测、墨子号量子科学实验卫星以及高分七号卫星等国家重大项目中崭露头角，瞄准国际领先的水平，持续不断把科学家的梦想变成现实，让中国的主动光电载荷遨游太空。

“嫦娥一号”是团队承担的第一个航天任务，也是团队全程参与探月工程的敲门砖。2002年至今，团队承担嫦娥一号到五号科学与工程载荷研制任务，以关键技术自主可控实现了技术进步，用独有的中国方案证明了中国在月面实现着陆器精确避障能力，比肩欧美。

团队成功为首颗量子实验卫星“墨子号”研制量子密钥通信机、量子纠缠发射机两大主载荷，该卫星在国际上首次实现了星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态，为我国引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实基础。

团队为我国“天问一号”首次火星探测任务研制祝融号火星车上的火星表面成分探测仪，对火星表面元素与矿物成分开展科学探测；为“高分七号”卫星研制激光测高仪，开启1:10000全球立体测绘新时代。

现阶段，团队正积极开展月球与深空探测、中高轨量子卫星、空间基础设施等后续工程任务的研制工作，围绕国家战略需求和世界科技前沿不断增强自主创新“硬核”能力，践行国家战略科技力量的使命与担当。

研究人员正在讨论量子卫星大负载高精度二维转台装调。

响应国家任务

步入21世纪，中国启动嫦娥探月工程，提出想要用激光手段对月球表面地形进行三维测量，但当时的中国“没人曾把激光测绘技术送到过天上去”。

上海技物所专长做红外物理和光电技术研究，上世纪曾在机载平台上实现以激光为手段进行地表三维测量；该所在参与航天任务方面也积累了丰富的经验，为“风云”气象卫星、载人航天工程等国家重大任务均研制过有效载荷。二者结合，把激光测绘载荷送上太空似乎有了可能。

从“嫦娥一号”开始，空间主动光电载荷研制团队开始转入航天任务, 当时，不少成员都是做成像光谱技术出身。转眼20多年，目前团队已发展到70多名核心科研人员，平均年龄不到40岁。“国家有了探月任务，我们才能做到空间上去。这也非常符合咱们国家的老一辈科学家精神，任务牵引，转换了自己的专业方向。”上海技物所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥舒嵘说，团队的成长与国家深空探测的快速发展密不可分。

嫦娥激光测距敏感器由双人双岗精心装配。

舒嵘介绍，从嫦娥三号到五号，每颗卫星都装有该团队研制的激光敏感器，以保障探测器顺利着陆。团队研制了测距仪——测量探测器降落时和月表的距离，测速敏感器——确保着陆器维持设定的速度平稳下降，激光三维成像敏感器——使用激光快速扫描成像手段对月表地形地貌进行探测，使着陆器实现实时避障。

“工程载荷是不允许失败的，否则就降不到月球上，这关乎整个重大工程的成败。所以，我们压力很大，不能放过一点瑕疵。”他回忆，嫦娥五号研制过程中，有个工程载荷从上海运输到北京，抵达后发现镜片震松了，其实对性能没有任何影响，但团队成员连续三天三夜没睡觉修复了问题，不留任何隐患。

有一套解决问题的好办法

利用卫星进行量子通信，可以实现全球密钥安全共享。“墨子号”卫星自2012年启动研究，目标是实现卫星到地面的量子密钥分发、检验量子纠缠的基本理论，以及进行量子隐形传态验证。

上海技物所是墨子号卫星的有效载荷总体研制单位，同时负责两台核心光电载荷量子密钥通信机、纠缠发射机的研制。量子密钥通信机载荷主任设计师张亮介绍，“墨子号”当时要解决的难点，一是怎么实现激光从卫星到地面的高精度、低损耗对准，二是怎么保证单光子的偏振态经过复杂的光学仪器后仍有高保真度以及天地精准的偏振方向。

“高分七号”卫星是一颗高分辨率对地观测卫星，空间主动光电载荷研制团队承担的是其中的激光测高仪研制。该项目主任设计师黄庚华介绍，相比以往的测高仪，高分七号卫星激光测高仪拥有精准的平面定位能力，整个相机要求的质量精度相当于“从东方明珠的顶部，要精确保持并知道激光落在地面牛奶盒条形码的哪根条纹上，不能有丝毫错位。”

高精度对激光稳定性、材料结构稳定性都带来很大挑战，团队要突破激光指向的在轨新技术、高稳定性的光机技术，并且让整个设备在太空环境下抵抗-35～+60℃温差，实现核心区域±0.5℃的精确温度。

“天问一号”火星探测任务中，祝融号火星表面成分探测仪研制也面临诸多问题，如何在15公斤重量限制内具备显微照相机、瞬态等离子体光谱探测与标定、激光发射及自聚焦调整等多个功能，并能承受着陆冲击、-96℃火星存储低温等恶劣条件。

火星表面成分探测仪鉴定件光学探头测试（资料照片）。

航天任务中，上海技物所团队碰到的都是全新的问题，没有经验可以借鉴，只能创新突破。黄庚华打趣：“焦虑程度，看我们头发白的程度和头发稀少的程度就可以知道了。”

“问题刚出现的时候，确实会不知所措，好在技物所有比较强的航天项目经验，有好的解决问题的思路和方法。刚开始可能一团乱麻，但仔细分析，按照规范去操作，排查、定位问题然后解决、验证，这一套方法对我们帮助很大。”张亮说，加班熬夜会带来身体劳累，但在心理上，他们相信花费了时间精力定能攻克难关。

“墨子号”当年快发射的时候，研究人员发现，其中的一款单光子探测器在太空使用寿命不到一周，“当时觉得是一个不可解决的问题”。张亮说，遵循解决问题的思路，团队着手探究寿命短的原因，然后尝试解决，最后利用超低温制冷及辐照加固技术，并调整了整个卫星轨道，将探测器的寿命从不足一周提高到两年以上。

墨子号量子科学实验卫星载荷外场试验（资料照片）。

如今“墨子号”在轨近7年，运行良好。张亮团队现在聚焦于中高轨量子卫星相关任务，希望提供全天候量子密钥服务（“墨子号”是低轨卫星，只能晚上工作，中高轨卫星可以更长时间工作）。卫星轨道高了，量子信号从天上到地面的传输精度要求又提高了一个量级，张亮说，“我们现在要做到0.1个微弧度的精度，也就是说，在1万公里的高度，我们发射下来的激光信号的晃动也只有一米，之前是1000公里一米。”

“高分七号”卫星在轨也近4年，为我国测绘部门提供了数百万个有效的测高控制点。黄庚华说：“这些测高控制点直接使得测绘的精度和质量，从之前的1:50000比例尺提高到现在的1:10000比例尺，换言之，从之前的50米定位精度量级跃升到现在的10米左右的定位精度，使得我国的数据产品的自主可控有了大幅度提高。”

现在，黄庚华团队正在研制高分七号02星产品，与上述01星进行战略组网，并进一步提升激光重复频率，“01星激光测高仪大概是1秒测量3-6次，每个点的地面间距要2公里左右，现在我们把间距尽可能缩短，能做到700米左右的间距，从而提升采样密度。”不停探索、不停解决新问题，是团队的使命。

科研人员讨论测试过程。

敢想敢提，协同攻坚，合作共赢

“回顾我们这20年的团队成长过程，正如探月精神所集中概括的，先有梦想，然后勇于探索，敢于提出我们自己的方案，落脚点一定是要协同攻坚，最后是合作共赢。”舒嵘说。

回想起“嫦娥三号”的激光敏感器方案，他记得当时全国许多团队都参与讨论，认为做不到。上海技物所空间主动光电载荷研制团队提出，利用16个波束的激光。彼时是2009年，多波束的概念只有美国提出过，仅一篇在地面实验室研究得出的论文，从未应用于太空，航天任务又有严苛的时间限制，“当时真的是敢想敢提”。

创新想法有时也是器件限制，倒逼出“中国方案”。比如，美国有高速运算的计算机，激光雷达可以在卫星上实时测算地形，但中国当时没有那么高速的计算机，只能另寻他路，用16个激光波束来快速扫描，不用计算就能达成任务。舒嵘有些自豪，“咱们用自己的‘土办法’，但这个办法是科学的，某种程度上还是超前的，现在的车载激光雷达避障就是用多个激光束来解决成像的问题。”

聊到多个载荷的研制过程，团队经常会提起一些科学家的名字、一些研究机构和企业，甚至一个问题多方案并举，和不同单位同时合作以寻求最优解。合作的力量在不同项目中体现，把科学家的想法工程化，联合其他机构生产器件，最终彼此在完成国家任务的同时提升了自身能力，舒嵘觉得，航天任务间接推动了这些机构企业的产品创新，继而可以延伸到其他行业。

黄庚华提到，载荷研制不仅要求科学技术，还考验工艺性。工艺决定着整个产品的稳定性，比如测高仪镜子的接触面平整度要修磨到5微米内，1根头发丝是毫米量级，而镜面平整度要求却是其千分之一厚度的量级，这就需要技术人员和设计师一起攻关，不断研磨和调整。“我们的基因是高科技基因，但这个基因要落地的话，必须有精湛技术的工人和具有奉献精神的高端制造业人才共同支撑，才能最终形成一个具有国际领先水平的载荷。”

上海虹口区科委副主任刘长林透露，该区正在与技物所合作运营一个聚焦遥感技术、空间信息的中科技物联创中心。航天工程创造了丰富的科技硕果，而这些成果能否转化为成本可控的民用产品和技术？虹口与技物所合作的联创中心，将承担技术转化的任务，打造一个高质量的科创孵化器。

空间主动光电载荷研制团队部分成员合影。