“众筹”卫星上天

　　2022年 5 月的一天，中国科学院微小卫星创新研究院（以下简称卫星创新院）空间新技术试验卫星研制团队的 17 名队员，在连续颠簸数十小时后终于从大巴车上下来，每个人的腿都肿得不行。但大家没休息，马上开始在酒泉的工作，为“创新 X”系列科学试验卫星的首发星——空间新技术试验卫星发射做准备。

　　2022年7月27日12时12分，我国当前最大固体运载火箭“力箭一号”（ZK-1A）在酒泉卫星发射中心成功发射，采用“一箭六星”的方式，将六颗卫星送入预定轨道。其中一颗就是空间新技术试验卫星。经过一个月的在轨测试，8月即获得首批科学成果；2023年1月，第二批科学与技术成果发布；如今距离发射已过去2年多，这颗外形酷似蜻蜓的卫星仍然在持续产出科学数据。

　　随着“创新X科学航班”计划启动，团队成员希望通过进一步降低平台成本和发射成本，让科学家有更多申请太空实验的机会，促进我国基础研究发展。众筹卫星搭建太空中的“中试平台”，作为一种适应科技发展的新生事物，成了众望所归的全新探索。

　　业内人士指出，随着航天科技、空间科学的快速发展，科研领域希望上天观测、验证的新技术新想法井喷式增加，但通过争取国家项目上天的机会却“一票难求”，通过“众筹”方式获得太空科学实验和技术验证机会或许是未来基础研究向产业转化的一种有效途径。

因“星”制宜新模式

上图：2022年1月9日，创新X卫星进真空罐前进行热控操作。图片提供/中国科学院微小卫星创新研究院

　　2021 年初，中国科学院“力箭一号”运载火箭首飞工程立项，基于“共担风险、科学优先”的原则，空间新技术试验卫星获得了一个被搭载上天的机会。

　　卫星创新院副院长张永合介绍，“创新 X”意味着创新交叉、创新无极限，从项目遴选、构型设计到人员配置，创新体现在每一个环节。这是一种全新的“众筹”模式，由各参与方自主投入，多个不同类型的载荷“凑”在一颗卫星上进入太空，以获得太空科学实验和技术验证的机会。

　　经过遴选，最终确定搭载涉及天文、量子、遥感、在轨制造等不同领域的二十来个新型载荷，如46.5nm极紫外太阳成像仪、龙虾眼X射线望远镜等。“我们遴选的新载荷、新技术产品，大部分都是在航天领域就差‘临门一脚’的基础研究和新技术。”张永合说，它突破了原有的专星专用模式，通过众筹式、航班式的空间科学与新技术试验的新范式顺应了创新需求。

　　由卫星创新院研究员张晓峰担任总师的卫星研制团队随之组建，团队骨干力量多是“85后”“90 后”，人数最多的时候也不到 20 人，其中有一半成员是第一次独立承担项目。为了确保项目顺利推进，团队采用“双责任制”，每个分系统由一位有经验的“师父”负责技术和质量的把关，再由年轻的“徒弟”主导方案设计和项目推进。

　　刘瑞和李天童是非常有代表性的一个组合，两人同属于结构分系统，分别担任主任设计师和主管设计师。刘瑞将这项工作形容为“命题作文”，面临的最大挑战是如何将所有载荷都摆放在 1 立方米的空间里。两人在一个月的时间里，反复尝试和调整，设计了上百个放置载荷的版本。设计过程中，有一台全铝自由曲面相机，始终找不到合适的位置。有一天他们突发奇想，把相机通过支架挂在了卫星的侧面，发现能够很好地解决散热面的问题，同时把宝贵的顶部空间释放出来。

　　毫无疑问，在一年时间内将如此数量繁多、类型迥异的新型载荷“凑”在一颗卫星上发上天，这给卫星研制团队带来了不小的挑战。在追求高可靠性的航天人眼里，“创新”意味着更多的风险和不确定性，面对“新”团队、“新”模式、短周期，卫星团队探索出了一条适合自己的路线。在卫星平台设计及研制上，与以往卫星不同，需要适应各种各样载荷的机械接口、电接口及观测需求，因此“创新X”被设计成了一个面向载荷动态集成的通用化的平台，不仅接口丰富，还具备高精度对日观测、对地观测、惯性定向等多种观测模式。此外，卫星还进行了快速迭代、测试流程优化等技术管理创新，实现了1年的短周期快速研制。

把 5 年压缩到一年半

　　空间新技术试验卫星的重量为 600多公斤，研制这种体量的卫星一般需要 3 到 5 年的时间。然而，“力箭一号”运载火箭原计划于 2021年底发射，这意味着从项目立项到发射，团队只有不到 1 年时间，最后也仅放宽了半年。

　　这是一个由卫星创新院自筹经费的项目，时间紧、任务重、经费紧张、人员有限。为了节省时间以及降低成本，张永合一开始就定下了“一步正样”的计划，即从设计、生产测试、试验，到最后飞上太空的，都是同一颗卫星。此外，团队进行了很多大胆的尝试：把原来型号剩下的鉴定件进行评估后再利用、复制已有的设计方案和接口、借用其他团队的星载计算机提前做测试和准备……

　　卫星研制团队还需要协调所有载荷单位的进度。每一个载荷至少对应着一家单位，而其中很多都是航天领域的“新兵”。为了同载荷单位保持密切沟通，团队提前制定了相关规范、验证要求并作了格式约定，下发给各单位，同时开展了多次线上辅导，帮助解决相关工程问题。

　　与此同时，载荷的数量也在反复变动，有新的载荷想要加入，也有已入选的载荷因为进度跟不上而不得不中途退出。为此，团队有针对性地对卫星进行了设计：提供丰富的接口，以满足不同载荷的需求；设置完善的故障隔离，确保个别载荷的故障不会影响整体。

　　在这些创新方法的加持下，卫星按时交付。“我们创造了很多方法，按照航天的方式制定计划流程，每一步都很清楚。”张永合说。

期待开创科学研究新范式

上图：空间新技术试验卫星研制团队获得不少荣誉。图片提供/中国科学院微小卫星创新研究院

　　最终，“创新X”首发试验星的重量达到了约620公斤，利用接口丰富、柔性配置、动态集成的试验平台，搭载了16个新载荷与新技术产品，在轨完成了44项空间新技术验证，部分技术产品已实现推广应用。

　　卫星搭载了EP-WXT探路者“龙虾眼天文成像仪”莱娅（LEIA）、高能爆发探索者（HEBS）、46.5nm极紫外太阳成像仪（SUTRI）、CPT原子磁场精密测量仪等空间科学探测载荷，在验证新型探测技术的同时，获得了令人振奋的科学成果。

　　利用LEIA载荷，科学家成功获得了一批天体的真实大视场X射线实测图像和能谱，这是国际上首次获得并公开发布的大视场X射线聚焦成像观测结果，标志着我国率先掌握了X射线龙虾眼聚焦成像技术，并成功实现了在轨验证与科学探测应用。

　　截至目前，LEIA已完成第一轮软X射线全天天图绘制，探测到多个暂现源/耀发源，同时在轨开展了标定测试和观测模式探索等工作，为今年1月发射的爱因斯坦探针卫星（EP）积累了宝贵数据和经验。

　　高能爆发探索者（HEBS）在完成了在轨验证后就转入常规观测，编入到空间科学卫星怀柔一号极目载荷（GECAM-C）系列，与GECAM-A/B协同，初步形成我国首个高能爆发天体监测网。2022年10月，HEBS载荷发现迄今最亮伽马暴，对其主暴阶段进行了高精度测量，是国际上已知质量最好的观测，发现该伽马暴的观测亮度和各向同性等效能量均打破纪录，获得国际同行认可。

　　不仅如此，同属“创新X”卫星的LEIA载荷与HEBS载荷，于2023年3月7日同时探测到一个极端明亮的伽马暴，这是首次利用宽视场软X射线和伽马射线监测器联合观测研究伽马暴瞬时辐射。

　　46.5nm极紫外太阳成像仪（SUTRI）利用Ne VII 46.5 nm谱线对50万摄氏度左右的太阳大气成像，旨在建立太阳低层大气和日冕之间的关键桥梁。SUTRI是40-110 nm波长范围内国际首台基于多层膜窄带滤光技术的太阳成像仪，验证了新型硅钪多层膜反射镜等器件的在轨性能和极紫外在轨定标技术。近半个世纪以来，国际首次拍摄了46.5 nm全日面图像，实现了我国首次太阳过渡区探测。利用观测数据，科学家在太阳大气中物质流动、波动，耀斑和喷流，暗条形成和爆发等方面取得研究成果，其科学数据已公开发布并被虚拟太阳天文台(VSO)收录。

　　卫星搭载了三台各具特色的可见光相机，分别为全铝自由曲面相机、多功能一体化相机和冷光学红外感知相机。全铝自由曲面相机采用了新型“全自由曲面+全铝光机”无遮拦离轴三反设计，具有无热化、体积紧凑、快速响应、大视场、低成本等特点，是新型的光学成像技术，完成了在轨演示验证与常态化对地观测；多功能一体化相机基于共口径多出瞳光学系统，在同一相机上实现了可见光、微光和红外三种观测模式，并兼具视频成像的功能，已完成多谱段多出瞳共光路等关键技术的在轨验证；冷光学红外感知相机将制冷机、探测器和光学系统进行耦合集成，同时实现光学系统和红外探测器80K的工作温度，是一种高集成小型化低温红外探测系统。

　　“全球首张宽视场X射线聚焦成像天图”“我国首幅太阳过渡区图像”“国际迄今最亮伽马暴”……空间新技术试验卫星发射后，截至目前，“创新X”卫星已完成了包含边缘计算型视觉芯片、InSb红外探测器、宇航级半导体温控等新器件技术，还有微牛级冷气微推、超高频脉冲管制冷、3D 打印钛合金高压气储结构、国产舱外无磁光纤等部组件技术的验证，为未来空间探测任务提供了丰富的新技术产品。

　　与这些亮眼成果相比，最令张晓峰印象深刻的是研制中如何保成功。为了让年轻的团队加强质量意识，他对质量问题“小题大做”。最后一次装星时，年轻的设计师把一条电缆装短了。此时卫星即将出厂，已经来不及拆星重装，最终决定临时加做一条电缆。当晚，张晓峰把所有的设计师召集起来，让每个人思考有无遗漏的地方。“我当时说，这虽然是自筹项目，但它同样承载了许多科学家的期许，我们要把它当成国家的大任务去对待。”

　　团队中的每个人也都是这么想的，十分珍惜这次机会，也在期待这颗“新”星开创的模式成为一种科学研究新范式。

　　2023年7月，卫星发射一周年时，张永合与“力箭一号”运载火箭总设计师杨毅强共同发布了“创新X”科学航班计划。“在力箭运载的每次发射任务中，我们都会为科学试验卫星预留专门舱位，提供灵活、便捷的入轨机会，以创新的模式，支持空间科学技术的发展。”中科宇航杨毅强总裁说道。

　　科学航班面向全球征集有在轨验证需求的新载荷、新产品，利用“力箭”的发射机会，每年搭载4颗50公斤级科学微纳星，2颗100公斤级科学微小卫星，1颗600公斤级科学试验卫星，为全球科学家、科研机构、大学、空间公司提供全链条搭载服务。

　　“大量面向空间科学、空间应用研究的新载荷、新技术产品，长期停留在实验室内，停留在地面试验阶段，此次火箭与卫星联合，旨在建立可持续的低成本在轨验证新模式。”张永合说，“我们在继续优化卫星平台设计的同时，也在了解科学家们的需求。实践表明，这种模式走得通。随着后续成本的进一步降低，低成本空间科学与新技术试验的新范式将为全球科学家进行基础研究提供服务。”　记者｜陈冰