2023年4月，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司給中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)建材總院”或“總院”）送來了一張科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)證書，這禮物的背后，是歷時(shí)五年的科研創(chuàng)新故事。

龍蝦眼X射線探測(cè)衛(wèi)星實(shí)物圖

“龍蝦眼X射線探測(cè)衛(wèi)星”搭載長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，于2020年7月25日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，它是國(guó)際上首臺(tái)在軌工作的應(yīng)用了龍蝦眼X射線聚焦技術(shù)的探測(cè)器。由此，龍蝦眼X射線探測(cè)器也獲得國(guó)內(nèi)外專業(yè)人士的高度關(guān)注。

探測(cè)器的核心元件——“龍蝦眼”鏡片，由中國(guó)建材總院與中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司五院508所（以下簡(jiǎn)稱“508所”）聯(lián)合攻關(guān)研制。因這一突出貢獻(xiàn)，“仿龍蝦眼結(jié)構(gòu)的材料與元件制備成套技術(shù)及在天基探測(cè)的應(yīng)用”獲2022年中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，“龍蝦眼X射線探測(cè)器技術(shù)”獲2023年中國(guó)航天科技集團(tuán)科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

歷時(shí)五年，終把“龍蝦眼”鏡片用到了探測(cè)衛(wèi)星，送上太空。中國(guó)建材總院的研究團(tuán)隊(duì)成員感到了前所未有的自豪。

人類對(duì)于宇宙的探索一直沒有停止。自從有了觀測(cè)天空的能力以來，我們便一直在努力了解和理解宇宙的運(yùn)行規(guī)律和精彩之處，各種各樣的觀測(cè)工具也不斷被創(chuàng)造出來。

龍蝦眼X射線探測(cè)器的設(shè)計(jì)靈感來自于龍蝦的眼睛。生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，龍蝦的眼睛和其他動(dòng)物不一樣，它由許許多多方孔形狀的微型管道構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)使得各個(gè)方向的光線在小方孔內(nèi)反射匯聚到視網(wǎng)膜上。因此，龍蝦的眼睛能看到很大的視野。

1979年，國(guó)外科學(xué)家從中獲得靈感，提出模仿龍蝦眼制造微孔形式的X射線探測(cè)鏡片，讓X射線通過反射聚焦成像。但這一設(shè)想提出后，因?yàn)閷?duì)微孔的結(jié)構(gòu)精度要求極為苛刻，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都未能實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)大視場(chǎng)X射線探測(cè)鏡頭的迫切需求，2018年的一天，508所作為探測(cè)衛(wèi)星所需的探測(cè)器制造商找到中國(guó)建材總院北京分公司玻纖事業(yè)部，正式提出研制“龍蝦眼”鏡片的需求。

“提出這個(gè)需求的時(shí)候，特別急迫，國(guó)內(nèi)外都沒有成功案例，剛開始非常困難。”玻纖事業(yè)部微結(jié)構(gòu)材料研究所副所長(zhǎng)廉姣回憶，時(shí)間緊是一方面，另一方面資金也沒到位，但總院的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為這項(xiàng)任務(wù)是為國(guó)家攻克技術(shù)難題，具有重要意義，便決定“自帶干糧先出發(fā)”，開始了研發(fā)工作。

龍蝦眼X射線相機(jī)實(shí)物圖

鏡片是整個(gè)探測(cè)器所需材料的最前端，所以給出的研制時(shí)間更短。起初聽說要在幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)研制出龍蝦眼鏡片，很多人都覺得這事干不成，但總院的研究團(tuán)隊(duì)沒有時(shí)間和精力去理會(huì)外界的種種說法。團(tuán)隊(duì)相信，面對(duì)困難，除了往前沖，別無選擇。好在早在2015年左右，總院團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)對(duì)“龍蝦眼”鏡片做過一些基礎(chǔ)研究。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)夜以繼日開展技術(shù)攻關(guān)。

廉姣告訴記者，做出這片合格的“龍蝦眼”鏡片，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)困難無數(shù)，技術(shù)方面的難點(diǎn)總結(jié)起來有三點(diǎn) ：玻璃材料的研制是第一大難點(diǎn) ；玻璃材料研制成功后，要將它們成型為纖維并排列成非常規(guī)整的陣列，這是第二大難點(diǎn) ；排列規(guī)整后需要的熱彎工序是第三大難點(diǎn)。

為了解決各項(xiàng)技術(shù)問題，團(tuán)隊(duì)成員查閱了數(shù)百篇文獻(xiàn)，文獻(xiàn)上都標(biāo)注了每次閱讀的日期。從日期上可以看出，很多文獻(xiàn)被反復(fù)翻看了多次。

實(shí)驗(yàn)初期缺乏X射線性能檢測(cè)的設(shè)備，外出測(cè)試成本又太高而且周期不可控，他們就地取材，以實(shí)驗(yàn)室約50米的走廊作為光路的通道，用激光代替X光。“通過研究激光成像與X射線成像的區(qū)別及聯(lián)系，盡可能地創(chuàng)造條件去表征材料的性能。”廉姣向《中國(guó)建材》雜志表示。

其間所做的實(shí)驗(yàn)已無法準(zhǔn)確計(jì)算出次數(shù)，但廉姣告訴本刊記者，有一年，團(tuán)隊(duì)為這個(gè)項(xiàng)目不知不覺寫了8本厚厚的實(shí)驗(yàn)記錄。

歸根結(jié)底，最后的成功，靠的是全體團(tuán)隊(duì)成員的智慧和時(shí)間投入。“整個(gè)團(tuán)隊(duì)一直一起想辦法。”在廉姣看來，事雖難，只要人心齊，往往就能創(chuàng)造令人難以相信的奇跡。

就是這樣一塊面積不過1/4手機(jī)大小、看似一張普通玻璃片的“龍蝦眼”鏡片，背后卻是科學(xué)家們無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)、失敗和從頭再來。

龍蝦眼 X 射線探測(cè)材料及其顯微結(jié)構(gòu)

“和龍蝦的眼睛一樣，這種特殊鏡片主要由許多方孔形狀的微型管道組成，這些管道壁表面光滑，并且指向同一個(gè)球心。這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠讓不同方向的光線通過小方孔內(nèi)反射匯聚到焦面上。”廉姣介紹，“龍蝦眼”鏡片具有大視場(chǎng)、高分辨、輕小型、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。

在這之前，天基X射線探測(cè)視場(chǎng)一般不超出1°，且探測(cè)器體積龐大，在大視場(chǎng)輕小型X射線聚焦探測(cè)方面尚屬空白。

如今，中國(guó)建材總院北京分公司玻纖事業(yè)部團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研制出具有微米級(jí)曲面方孔陣列結(jié)構(gòu)的龍蝦眼X射線探測(cè)鏡片，滿足了360°內(nèi)任意視場(chǎng)角的要求，微米級(jí)通道結(jié)構(gòu)使其具備輕小型優(yōu)勢(shì)，打破了以往只能依靠大且重的探測(cè)器進(jìn)行小視場(chǎng)X射線探測(cè)的局限。

通過研制“龍蝦眼”鏡片，總院在鏡片基礎(chǔ)玻璃材料設(shè)計(jì)及熔制、微米級(jí)方形通道陣列精密成型、亞納米級(jí)超光滑反射面粗糙度調(diào)控、百萬(wàn)數(shù)量級(jí)通道精準(zhǔn)指向控制等方面形成了一系列專有技術(shù)，獲授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)、實(shí)用新型專利4項(xiàng)。

“龍蝦眼X射線探測(cè)衛(wèi)星”在軌正常運(yùn)行三年多，通過“龍蝦眼”鏡片材料的在軌應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了2°×2°的探測(cè)視場(chǎng)，獲得了完全自主探測(cè)的科學(xué)數(shù)據(jù)。

“龍蝦眼X射線探測(cè)鏡片憑借輕小型優(yōu)勢(shì)可配備于從大型到微納型的各類航天器，在高能天體觀測(cè)、脈沖星授時(shí)及自主導(dǎo)航、X射線科研儀器等方面都有很好的應(yīng)用前景。”廉姣透露，團(tuán)隊(duì)已與用戶合作開展仿龍蝦眼材料在脈沖星授時(shí)導(dǎo)航、日冕軟X射線觀測(cè)等方面的應(yīng)用研究，并且提出了一種具有全新結(jié)構(gòu)型式的第二代龍蝦眼X射線探測(cè)材料，有望具備更優(yōu)異的綜合性能。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)協(xié)同創(chuàng)新，在基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用等方面開展全鏈條、系統(tǒng)性的工作，為推動(dòng)先進(jìn)科技成果向新型儀器設(shè)備轉(zhuǎn)化作出貢獻(xiàn)。