上海技術物理研究所：讓中國的主動光電載荷遨游太空

嫦娥激光三維敏感器工程樣機測試。  本文圖片 中國科學院上海技術物理研究所 

承擔“嫦娥一號”到“嫦娥五號”科學與工程載荷研制任務，為世界首顆量子實驗衛星“墨子號”研制量子密鑰通信機、量子糾纏發射機兩大主載荷，為“天問一號”首次火星探測任務研制祝融號火星車上的火星表面成分探測儀……

這背后是一支在實踐中成長起來的研究團隊——中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱“上海技物所”）空間主動光電載荷研制團隊，目前成員的平均年齡不足40歲。

20年科技創新實踐中，空間主動光電載荷研制團隊在探月工程、火星探測、墨子號量子科學實驗衛星以及高分七號衛星等國家重大項目中嶄露頭角，瞄準國際領先的水平，持續不斷把科學家的夢想變成現實，讓中國的主動光電載荷遨游太空。

“嫦娥一號”是團隊承擔的第一個航天任務，也是團隊全程參與探月工程的敲門磚。2002年至今，團隊承擔嫦娥一號到五號科學與工程載荷研制任務，以關鍵技術自主可控實現了技術進步，用獨有的中國方案證明了中國在月面實現著陸器精確避障能力，比肩歐美。

團隊成功為首顆量子實驗衛星“墨子號”研制量子密鑰通信機、量子糾纏發射機兩大主載荷，該衛星在國際上首次實現了星地千公里級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態，為我國引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實基礎。

團隊為我國“天問一號”首次火星探測任務研制祝融號火星車上的火星表面成分探測儀，對火星表面元素與礦物成分開展科學探測；為“高分七號”衛星研制激光測高儀，開啟1:10000全球立體測繪新時代。

現階段，團隊正積極開展月球與深空探測、中高軌量子衛星、空間基礎設施等后續工程任務的研制工作，圍繞國家戰略需求和世界科技前沿不斷增強自主創新“硬核”能力，踐行國家戰略科技力量的使命與擔當。

研究人員正在討論量子衛星大負載高精度二維轉臺裝調。

響應國家任務

步入21世紀，中國啟動嫦娥探月工程，提出想要用激光手段對月球表面地形進行三維測量，但當時的中國“沒人曾把激光測繪技術送到過天上去”。

上海技物所專長做紅外物理和光電技術研究，上世紀曾在機載平臺上實現以激光為手段進行地表三維測量；該所在參與航天任務方面也積累了豐富的經驗，為“風云”氣象衛星、載人航天工程等國家重大任務均研制過有效載荷。二者結合，把激光測繪載荷送上太空似乎有了可能。

從“嫦娥一號”開始，空間主動光電載荷研制團隊開始轉入航天任務, 當時，不少成員都是做成像光譜技術出身。轉眼20多年，目前團隊已發展到70多名核心科研人員，平均年齡不到40歲。“國家有了探月任務，我們才能做到空間上去。這也非常符合咱們國家的老一輩科學家精神，任務牽引，轉換了自己的專業方向。”上海技物所副所長、月球與深空探測系列載荷指揮舒嶸說，團隊的成長與國家深空探測的快速發展密不可分。

嫦娥激光測距敏感器由雙人雙崗精心裝配。

舒嶸介紹，從嫦娥三號到五號，每顆衛星都裝有該團隊研制的激光敏感器，以保障探測器順利著陸。團隊研制了測距儀——測量探測器降落時和月表的距離，測速敏感器——確保著陸器維持設定的速度平穩下降，激光三維成像敏感器——使用激光快速掃描成像手段對月表地形地貌進行探測，使著陸器實現實時避障。

“工程載荷是不允許失敗的，否則就降不到月球上，這關乎整個重大工程的成敗。所以，我們壓力很大，不能放過一點瑕疵。”他回憶，嫦娥五號研制過程中，有個工程載荷從上海運輸到北京，抵達后發現鏡片震松了，其實對性能沒有任何影響，但團隊成員連續三天三夜沒睡覺修復了問題，不留任何隱患。

有一套解決問題的好辦法

利用衛星進行量子通信，可以實現全球密鑰安全共享。“墨子號”衛星自2012年啟動研究，目標是實現衛星到地面的量子密鑰分發、檢驗量子糾纏的基本理論，以及進行量子隱形傳態驗證。

上海技物所是墨子號衛星的有效載荷總體研制單位，同時負責兩臺核心光電載荷量子密鑰通信機、糾纏發射機的研制。量子密鑰通信機載荷主任設計師張亮介紹，“墨子號”當時要解決的難點，一是怎么實現激光從衛星到地面的高精度、低損耗對準，二是怎么保證單光子的偏振態經過復雜的光學儀器后仍有高保真度以及天地精準的偏振方向。

“高分七號”衛星是一顆高分辨率對地觀測衛星，空間主動光電載荷研制團隊承擔的是其中的激光測高儀研制。該項目主任設計師黃庚華介紹，相比以往的測高儀，高分七號衛星激光測高儀擁有精準的平面定位能力，整個相機要求的質量精度相當于“從東方明珠的頂部，要精確保持并知道激光落在地面牛奶盒條形碼的哪根條紋上，不能有絲毫錯位。”

高精度對激光穩定性、材料結構穩定性都帶來很大挑戰，團隊要突破激光指向的在軌新技術、高穩定性的光機技術，并且讓整個設備在太空環境下抵抗-35～+60℃溫差，實現核心區域±0.5℃的精確溫度。

“天問一號”火星探測任務中，祝融號火星表面成分探測儀研制也面臨諸多問題，如何在15公斤重量限制內具備顯微照相機、瞬態等離子體光譜探測與標定、激光發射及自聚焦調整等多個功能，并能承受著陸沖擊、-96℃火星存儲低溫等惡劣條件。

火星表面成分探測儀鑒定件光學探頭測試（資料照片）。

航天任務中，上海技物所團隊碰到的都是全新的問題，沒有經驗可以借鑒，只能創新突破。黃庚華打趣：“焦慮程度，看我們頭發白的程度和頭發稀少的程度就可以知道了。”

“問題剛出現的時候，確實會不知所措，好在技物所有比較強的航天項目經驗，有好的解決問題的思路和方法。剛開始可能一團亂麻，但仔細分析，按照規范去操作，排查、定位問題然后解決、驗證，這一套方法對我們幫助很大。”張亮說，加班熬夜會帶來身體勞累，但在心理上，他們相信花費了時間精力定能攻克難關。

“墨子號”當年快發射的時候，研究人員發現，其中的一款單光子探測器在太空使用壽命不到一周，“當時覺得是一個不可解決的問題”。張亮說，遵循解決問題的思路，團隊著手探究壽命短的原因，然后嘗試解決，最后利用超低溫制冷及輻照加固技術，并調整了整個衛星軌道，將探測器的壽命從不足一周提高到兩年以上。

墨子號量子科學實驗衛星載荷外場試驗（資料照片）。

如今“墨子號”在軌近7年，運行良好。張亮團隊現在聚焦于中高軌量子衛星相關任務，希望提供全天候量子密鑰服務（“墨子號”是低軌衛星，只能晚上工作，中高軌衛星可以更長時間工作）。衛星軌道高了，量子信號從天上到地面的傳輸精度要求又提高了一個量級，張亮說，“我們現在要做到0.1個微弧度的精度，也就是說，在1萬公里的高度，我們發射下來的激光信號的晃動也只有一米，之前是1000公里一米。”

“高分七號”衛星在軌也近4年，為我國測繪部門提供了數百萬個有效的測高控制點。黃庚華說：“這些測高控制點直接使得測繪的精度和質量，從之前的1:50000比例尺提高到現在的1:10000比例尺，換言之，從之前的50米定位精度量級躍升到現在的10米左右的定位精度，使得我國的數據產品的自主可控有了大幅度提高。”

現在，黃庚華團隊正在研制高分七號02星產品，與上述01星進行戰略組網，并進一步提升激光重復頻率，“01星激光測高儀大概是1秒測量3-6次，每個點的地面間距要2公里左右，現在我們把間距盡可能縮短，能做到700米左右的間距，從而提升采樣密度。”不停探索、不停解決新問題，是團隊的使命。

科研人員討論測試過程。

敢想敢提，協同攻堅，合作共贏

“回顧我們這20年的團隊成長過程，正如探月精神所集中概括的，先有夢想，然后勇于探索，敢于提出我們自己的方案，落腳點一定是要協同攻堅，最后是合作共贏。”舒嶸說。

回想起“嫦娥三號”的激光敏感器方案，他記得當時全國許多團隊都參與討論，認為做不到。上海技物所空間主動光電載荷研制團隊提出，利用16個波束的激光。彼時是2009年，多波束的概念只有美國提出過，僅一篇在地面實驗室研究得出的論文，從未應用于太空，航天任務又有嚴苛的時間限制，“當時真的是敢想敢提”。

創新想法有時也是器件限制，倒逼出“中國方案”。比如，美國有高速運算的計算機，激光雷達可以在衛星上實時測算地形，但中國當時沒有那么高速的計算機，只能另尋他路，用16個激光波束來快速掃描，不用計算就能達成任務。舒嶸有些自豪，“咱們用自己的‘土辦法’，但這個辦法是科學的，某種程度上還是超前的，現在的車載激光雷達避障就是用多個激光束來解決成像的問題。”

聊到多個載荷的研制過程，團隊經常會提起一些科學家的名字、一些研究機構和企業，甚至一個問題多方案并舉，和不同單位同時合作以尋求最優解。合作的力量在不同項目中體現，把科學家的想法工程化，聯合其他機構生產器件，最終彼此在完成國家任務的同時提升了自身能力，舒嶸覺得，航天任務間接推動了這些機構企業的產品創新，繼而可以延伸到其他行業。

黃庚華提到，載荷研制不僅要求科學技術，還考驗工藝性。工藝決定著整個產品的穩定性，比如測高儀鏡子的接觸面平整度要修磨到5微米內，1根頭發絲是毫米量級，而鏡面平整度要求卻是其千分之一厚度的量級，這就需要技術人員和設計師一起攻關，不斷研磨和調整。“我們的基因是高科技基因，但這個基因要落地的話，必須有精湛技術的工人和具有奉獻精神的高端制造業人才共同支撐，才能最終形成一個具有國際領先水平的載荷。”

上海虹口區科委副主任劉長林透露，該區正在與技物所合作運營一個聚焦遙感技術、空間信息的中科技物聯創中心。航天工程創造了豐富的科技碩果，而這些成果能否轉化為成本可控的民用產品和技術？虹口與技物所合作的聯創中心，將承擔技術轉化的任務，打造一個高質量的科創孵化器。

空間主動光電載荷研制團隊部分成員合影。