出品：科普中國

作者：李朝輝（中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

那一抹紅，格外清晰；那五顆星，格外閃耀！2024年，嫦娥六號成功登陸月球背面，并傳回了大量清晰的月背真實畫面。其中，五星紅旗在月背展示的畫面火爆全網(wǎng)，網(wǎng)友們感嘆祖國強大的同時，也被這異常清晰的畫面所震撼。

嫦娥六號在月球背面的國旗展示影像

（圖片來源：國家航天局）

一張張清晰照片的背后，其實是無數(shù)科研人的付出與努力。因為宇宙環(huán)境和地面環(huán)境有著本質(zhì)區(qū)別，導(dǎo)致普通相機在極端環(huán)境下根本無法運行，因此，科研人員需要對空間相機進行特殊設(shè)計，才能在太空中拍出清晰的畫面。這些高清照片的獲取，不僅標(biāo)志著我國具有了自主生產(chǎn)深空相機的能力，還彰顯了我國科研人員征服宇宙的決心——以太空相機的“眼睛”去探索浩瀚的宇宙星空。

要上太空的相機，在宇宙環(huán)境中會面臨哪些挑戰(zhàn)？

在溫度方面，宇宙空間接近真空，溫度變化劇烈。近地軌道在光照狀態(tài)下，溫度可達120攝氏度以上，而背陽面的溫度則可能低于零下150攝氏度甚至更低，例如：月球表面在白天的溫度可達127攝氏度，而在夜晚則可降至零下183攝氏度。相比之下，由于大氣層緩沖，地面溫度變化相對平穩(wěn)，通常在零下50攝氏度到零上50攝氏度之間，具體數(shù)值取決于地表位置、土壤深度及海拔高度等因素。

宇宙空間中這種極大的溫差會導(dǎo)致相機出現(xiàn)一系列問題：材料（金屬、光學(xué)玻璃、粘合劑）熱脹冷縮、電子元件性能下降或失效、光學(xué)鏡片變形及脫焦、機械結(jié)構(gòu)卡死或開裂等。除此之外，環(huán)境的變化還會直接影響成像質(zhì)量，造成像質(zhì)不清晰、像素不穩(wěn)定、像元失真等情況。

在輻射方面，宇宙空間中存在大量的宇宙射線、太陽風(fēng)等高能粒子，這些粒子對電子設(shè)備具有毀滅性傷害——它們會穿透相機外殼，破壞電子元件（如傳感器、存儲器），導(dǎo)致圖像噪聲增加或設(shè)備故障。太陽輻射是主要來源，其強度約1357瓦每平方米（太陽常數(shù)），并呈現(xiàn)晝夜周期變化，如月球表面會經(jīng)歷長達14天的極黑環(huán)境，在這種冷黑環(huán)境中，會引起相機傳感器誤捕自身熱輻射。

相比之下，地球表面有臭氧層吸收部分宇宙射線，地表輻射約0.3μSv/h（微西弗每小時）。所以，航天器需鉛、聚乙烯等屏蔽材料進行防護。而在太空環(huán)境中，輻射無處不在，相機設(shè)備需要同時應(yīng)對光照強輻射和背陽面弱輻射的雙重狀態(tài)。因此，如何在太空進行晝夜變化測量、長時間探測、高可靠的拍照等，都面臨巨大的挑戰(zhàn)。

在壓強和濕度方面，宇宙環(huán)境中的這兩項參數(shù)均處于絕對狀態(tài)。壓強接近真空（約10的負(fù)14次方帕，近地軌道約10的負(fù)7次方帕），與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（約101.3千帕）形成鮮明對比；濕度為絕對干燥狀態(tài)，如航天器需要利用人工系統(tǒng)完成水循環(huán)。而地面環(huán)境則相對溫和，相對濕度通常在20%-90%之間。

上述因素也會對相機的靈敏度造成影響，降低成像質(zhì)量。具體表現(xiàn)為：真空會導(dǎo)致材料揮發(fā)（如潤滑劑蒸發(fā)）、密封失效或結(jié)構(gòu)變形。同時，由于缺乏空氣對流散熱，熱量只能通過輻射散失，導(dǎo)致散熱速度極慢，而溫差的變化也會導(dǎo)致鏡頭折射率變化，引入像差。在近乎全黑環(huán)境下，微弱星光、宇宙射線、傳感器暗電流均會產(chǎn)生偽信號，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

此外，微重力環(huán)境下，相機的機械結(jié)構(gòu)可能因缺乏重力支撐而松動，影響對焦精度或鏡頭穩(wěn)定性；太空中的強光（如直射太陽光）或弱光（如深空探測）會超出普通相機的動態(tài)范圍，導(dǎo)致過曝或欠曝。

嫦娥六號著陸器降落，相機拍攝的月背影像圖

（圖片來源：國家航天局）

這些特殊的環(huán)境均會對相機的靈敏度造成影響，影響成像質(zhì)量。

普通的相機到太空中，還能拍出清晰的照片嗎？

那么對于普通的相機到了太空中，還能拍出清晰的照片嗎？答案顯然是不能。這不僅涉及相機材質(zhì)上的不同，更關(guān)鍵的是太空極端環(huán)境帶來的多重挑戰(zhàn)：氣壓變化、極端高低溫變化、極端輻射環(huán)境。具體表現(xiàn)為：

（1）材料與結(jié)構(gòu)無法承受極端環(huán)境：普通相機的外殼、密封件和潤滑劑無法適應(yīng)真空或極端溫度。如：普通相機的外部材料會在極端高溫、極端低溫下發(fā)生材料變形及結(jié)構(gòu)融化等；

（2）電子元件缺乏抗輻射設(shè)計：普通相機的傳感器和電路板會因輻射快速失效。如：相機內(nèi)部的電子學(xué)線路和電學(xué)板卡（電路板）會同時受到高輻射和低輻射的影響——高輻射會毀壞相機內(nèi)部電學(xué)結(jié)構(gòu)，低輻射則會引入弱雜光信號。

（3）光學(xué)系統(tǒng)未針對空間環(huán)境優(yōu)化：普通鏡頭的鍍膜和透光率無法適應(yīng)太空中的強光或弱光條件。如：光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部光源與太空探測需求不匹配，多波長的信號雜光影響，或光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的光學(xué)元件鍍膜、控制系統(tǒng)及信號傳輸在太空環(huán)境下可能會出現(xiàn)膜層脫落、信號傳輸中斷、光學(xué)元件移位等問題。

（4）散熱與熱控缺失：普通相機依賴空氣對流散熱，在真空中無法通過這一途徑散熱，會因過熱導(dǎo)致性能下降。

因此，要想相機上太空，相機就得具備一些特殊能力：

（1）采用多層隔熱材料、熱輻射器、相變材料（PCM）或主動加熱/冷卻系統(tǒng)。例如，哈勃望遠(yuǎn)鏡的鏡面采用低膨脹系數(shù)的熔石英，并配備熱控涂層以維持溫度穩(wěn)定，使用鎳鈦合金支架抵消熱變形，多層鍍膜減少熱輻射。

（2）使用抗輻射加固的電子元件（如輻射硬化CMOS，CMOS是主流圖像傳感器的核心技術(shù)）、屏蔽材料（如鉭、聚乙烯）和冗余電路設(shè)計。例如，火星探測器上的相機采用抗輻射FPGA芯片，確保在強輻射環(huán)境下仍能正常工作；詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡的主鏡采用金鍍層以優(yōu)化紅外反射率，其紅外傳感器需低溫環(huán)境。近紅外儀器通過遮陽罩被動冷卻至約零下234攝氏度，而中紅外儀器（MIRI）需主動制冷至零下267攝氏度。五層遮陽罩隔離太陽熱源，確保望遠(yuǎn)鏡在極低溫下運行。

（3）使用無揮發(fā)性潤滑劑、真空密封接頭和抗真空出氣的材料（如鈦合金、陶瓷）。例如，國際空間站的相機采用全金屬密封結(jié)構(gòu)，避免氣體釋放污染光學(xué)系統(tǒng)。

（4）采用剛性框架、鎖緊機構(gòu)或主動姿態(tài)控制系統(tǒng)（如陀螺儀）。例如，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡面通過微推進器保持穩(wěn)定，避免微重力導(dǎo)致的形變。

（5）使用大尺寸傳感器、多光譜成像、HDR合成（高動態(tài)范圍成像）或低溫冷卻（降低熱噪聲）等技術(shù)。例如，深空探測相機采用制冷型CCD傳感器（電荷耦合器件），靈敏度比普通相機高1000倍以上。

如何讓相機提前適應(yīng)太空環(huán)境？我們提出了新思路

為確保相機適應(yīng)外太空極端環(huán)境，科研團隊過去主要依賴極地測試、液氮實驗室測試、真空模擬、輻射環(huán)境模擬及熱循環(huán)測試等傳統(tǒng)方法。通過模擬太空中的低溫、真空、高輻射及劇烈溫差等條件，驗證相機的可靠性。

然而，這些方法存在顯著局限性：極地測試需在極端自然環(huán)境中操作，面臨低溫、強風(fēng)及后勤保障困難，甚至可能因設(shè)備故障導(dǎo)致人員凍傷；液氮測試雖能模擬極低溫，但液氮的低溫危險性、揮發(fā)導(dǎo)致的缺氧風(fēng)險及操作復(fù)雜性常引發(fā)安全事故；真空測試周期漫長且成本高昂，艙體密封失效或材料揮發(fā)等問題會延誤項目進度；輻射測試依賴放射性物質(zhì)或高能粒子加速器，存在輻射泄漏風(fēng)險，設(shè)備故障還可能直接損壞相機；熱循環(huán)測試中，反復(fù)熱應(yīng)力（指周期性溫度變化引發(fā)的交變熱應(yīng)力）易導(dǎo)致機械疲勞，傳感器焊點脫落或結(jié)構(gòu)裂紋等問題頻發(fā)。

針對以上問題，我們團隊（中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所精密計量技術(shù)研究中心，2025年6月改名為激光應(yīng)用技術(shù)研究室）提出在實驗室造一個“宇宙環(huán)境模擬器”的新思路，專業(yè)的說法叫做低溫真空冷背景模擬系統(tǒng)，或者極低溫紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)用成熟的真空罐作為測試環(huán)境平臺，既可以模擬真空環(huán)境，還可以克服實驗室環(huán)境溫度變化帶來的測試不穩(wěn)定性。

在真空罐內(nèi)，我們團隊創(chuàng)新性地用鋁材料設(shè)計了一套反射式光學(xué)系統(tǒng)——反射鏡和支撐結(jié)構(gòu)均采用鋁材料，滿足極低溫?zé)o熱化設(shè)計要求，還為光學(xué)系統(tǒng)用熱控技術(shù)做了一套“衣裳”，讓光學(xué)系統(tǒng)“涼透”，從而實現(xiàn)極低溫目標(biāo)的輸出。利用這套系統(tǒng)，科研人員在實驗室就可以直接進行各類紅外相機測試，安全又便捷。

極低溫紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)實物圖

（來源：中國科學(xué)院西安光機所）

注：波長作為相機設(shè)計的核心指標(biāo)之一，代表著相機看到光波的類型，在光學(xué)領(lǐng)域，光的分類通常用波長進行劃分，我們光電行業(yè)用的最多的譜段通常包括紫外波段，可見光波段，近紅外波段，中長波紅外波段等，人眼能夠看到的波長稱為可見光波段，我們的彩虹顏色就是因為不同的波長分布導(dǎo)致的，能夠被人眼看到都屬于可見光波段。在宇宙深空環(huán)境，還分布著大量人眼不可見的目標(biāo)，但是人眼不可見不代表儀器設(shè)備不可見，這一類不可見光就包括紅外波段。紅外相機就是就是專為捕捉這些不可見紅外輻射而設(shè)計的成像設(shè)備。

思路形成后難題接踵而至，我們迎難而上

設(shè)計之初，我們想要研發(fā)一種能夠模擬多維度極端環(huán)境參數(shù)的綜合測試設(shè)備，涵蓋極端溫度、真空環(huán)境、高溫輻射等極端條件。用戶提出的指標(biāo)在當(dāng)時國內(nèi)外都是難度極高的——國內(nèi)成功案例很少，且各類裝置的指標(biāo)達不到我們的要求；歐美各國雖有應(yīng)用案例，但都用于軍事領(lǐng)域，其技術(shù)參數(shù)和技術(shù)路線都受到嚴(yán)格保密。因此，我們也只能自主探索。總而言之，這個任務(wù)對整個國內(nèi)科研隊伍而言都是一項重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

要想實現(xiàn)宇宙環(huán)境模擬，必須攻克眾多難點。如何讓不同的極端環(huán)境參數(shù)“不打架”，做到“協(xié)同工作”？這就像同時用空調(diào)、微波爐、電吹風(fēng)和磁懸浮裝置工作，但要求它們互不干擾——需要開發(fā)精密的“環(huán)境調(diào)度系統(tǒng)”。對于極端溫度控制，如何讓設(shè)備同時模擬并承受住“冷如深空，熱如烈日”兩種環(huán)境？另外，如何“看清”極端環(huán)境下的細(xì)微變化？就像在暴風(fēng)雪中用顯微鏡觀察雪花，還要要求顯微鏡不能被凍壞或吹跑。此外，還需要兼顧對造價成本的控制。

就無熱化設(shè)計來說，當(dāng)精密光學(xué)系統(tǒng)面臨極端低溫環(huán)境下的“變形”挑戰(zhàn)時，我們團隊針對這個問題產(chǎn)生了兩種聲音：一種認(rèn)為應(yīng)該用傳統(tǒng)光學(xué)材料，采用穩(wěn)扎穩(wěn)打方式去嘗試；另一種支持用全新的鋁材料制作在極低溫環(huán)境下工作的反射鏡——這在以前沒有應(yīng)用案例，在國內(nèi)外公開報道中均屬于首例。

經(jīng)過深入論證，我們最終還是決定采用鋁制反射鏡方案！為了確保不出問題，我們聯(lián)系了國內(nèi)優(yōu)秀的加工廠商，在不作材料表面改性（鋁較軟，表面改性是為了便于加工）的前提下，將鋁鏡面型（衡量光學(xué)元件表面質(zhì)量的指標(biāo)）加工到了國內(nèi)最高水平，在低溫下達到了良好的效果。此外，我們團隊突破了低溫制冷技術(shù)、精密控溫系統(tǒng)、冷量傳輸方案及高效隔熱工藝等技術(shù)瓶頸。

“宇宙環(huán)境模擬器”成功交付！

經(jīng)過兩年的科研攻關(guān)，我們團隊創(chuàng)新性地提出了基于全鋁材質(zhì)的大口徑光學(xué)無熱化結(jié)構(gòu)和基于紅外自發(fā)輻射雜散光抑制設(shè)計方案，構(gòu)建出全系統(tǒng)分區(qū)控溫指標(biāo)，成功滿足了目標(biāo)模擬系統(tǒng)的快速制冷需求，可模擬零下163攝氏度極低溫宇宙環(huán)境目標(biāo)，攻克了±0.1攝氏度級精密溫控難題，最終于2025年4月2日成功交付！

以嫦娥六號探測器為例，2024年6月，其在月球背面著陸并進行了為期約2天的月背探測及采樣工作。我們單位（中國科學(xué)院西安光機所月球與深空探測技術(shù)研究室）研制的全景相機和遠(yuǎn)攝相機在探測器表取、采樣及國旗展示等任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。這些成果都離不開各類目標(biāo)模擬系統(tǒng)的測試支持，我們這臺模擬器可為各類紅外相機的組裝測試、發(fā)射前的地面標(biāo)定、性能評定提供“真實”的環(huán)境和目標(biāo)支撐，確保在地面就能完成對各項指標(biāo)的測試評價，提高產(chǎn)品性能，降低在軌運行風(fēng)險。

我們研制的這臺極低溫目標(biāo)模擬系統(tǒng)性能達國內(nèi)外領(lǐng)先水平，后續(xù)可以用來支撐各類航空航天任務(wù)。例如，為“天問三號”火星采樣返回任務(wù)的高分辨率相機提供全環(huán)境驗證；參與新一代空間站光學(xué)載荷的可靠性測試等。

“宇宙環(huán)境模擬器”的成功交付，不僅標(biāo)志著我國成為全球少數(shù)掌握航天器全環(huán)境測試技術(shù)的國家，更通過技術(shù)降本與產(chǎn)業(yè)賦能，推動航天器可靠性提升30%以上、商業(yè)航天成本降低40%，為深空探測、載人航天等國家戰(zhàn)略任務(wù)提供了“從實驗室到太空”的全鏈條保障，重塑了全球空間技術(shù)競爭格局。

這一成果的突破，將加速我國從“航天大國”向“航天強國”邁進，為未來星際探索、太空資源開發(fā)等前沿領(lǐng)域奠定堅實基礎(chǔ)。

未來，隨著發(fā)展的不斷需要，我們的“宇宙環(huán)境模擬器”也會隨之改進。例如，對極端環(huán)境參數(shù)擴展（進行原子氧侵蝕模擬、微流星體與空間碎片撞擊測試）；引入AI算法動態(tài)調(diào)整真空度、溫度、輻射劑量與微重力參數(shù)，為“天問四號”木星探測器載荷測試，實現(xiàn)零下180攝氏度至零上400攝氏度極端溫變與高能粒子輻射的聯(lián)合加載；對于環(huán)境梯度控制，在真空艙內(nèi)實現(xiàn)溫度梯度（如一側(cè)零下100攝氏度，另一側(cè)零上120攝氏度）與輻射劑量梯度（0-100rad/s，總劑量100萬rad，rad是電離輻射吸收劑量的傳統(tǒng)專用單位）的分區(qū)控制，模擬航天器復(fù)雜熱-輻射耦合環(huán)境。

長遠(yuǎn)來說，可能進行：

（1）下一代模擬器原型機研發(fā)（2025-2030），實現(xiàn)“五參數(shù)耦合”（真空+溫度+輻射+微重力+電磁場），擴展參數(shù)范圍。真空度：不超過10的負(fù)9次方帕（接近星際空間）；溫度：零下270攝氏度（接近絕對零度）至零上2000攝氏度（再入大氣層熱防護測試）；輻射環(huán)境：覆蓋電磁波（伽馬/X射線，0.1keV-10MeV）與粒子輻射（質(zhì)子、中子、重離子）。

（2）聯(lián)合ESA（歐洲航天局）、JAXA（日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)）共建“全球太空環(huán)境測試網(wǎng)絡(luò)”，共享測試數(shù)據(jù)與模型。主導(dǎo)制定《航天器多物理場測試國際標(biāo)準(zhǔn)》，提升我國在空間技術(shù)領(lǐng)域的話語權(quán)。

未來10年，“宇宙環(huán)境模擬器”將向“全參數(shù)、全尺度、全智能”方向演進，從單一測試設(shè)備升級為“太空環(huán)境生態(tài)圈”的核心樞紐。我們團隊計劃通過技術(shù)迭代與跨學(xué)科融合，將我國航天器在軌可靠性提升至新的水平，測試效率大幅度提高，并推動太空資源開發(fā)、深空通信等新興領(lǐng)域的技術(shù)突破，最終實現(xiàn)“地面模擬精度超越太空真實環(huán)境”的終極目標(biāo)。

來源: 中國科普博覽

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