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，網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，其實是無數科研人的付出與努力。因為宇宙環境和地面環境有著本質區別，導致普通相機在極端環境下根本無法運行，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，不僅標志著我國具有了自主生產深空相機的能力，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，在宇宙環境中會面臨哪些挑戰？

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，通常在零下50攝氏度到零上50攝氏度之間，具體數值取決于地表位置、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致相機出現一系列問題：材料（金屬、光學玻璃、粘合劑）熱脹冷縮、電子元件性能下降或失效、光學鏡片變形及脫焦、機械結構卡死或開裂等。除此之外，環境的變化還會直接影響成像質量，造成像質不清晰、像素不穩定、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、太陽風等高能粒子，這些粒子對電子設備具有毀滅性傷害——它們會穿透相機外殼，破壞電子元件（如傳感器、存儲器），導致圖像噪聲增加或設備故障。太陽輻射是主要來源，其強度約1357瓦每平方米（太陽常數），并呈現晝夜周期變化，如月球表面會經歷長達14天的極黑環境，在這種冷黑環境中，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。而在太空環境中，輻射無處不在，相機設備需要同時應對光照強輻射和背陽面弱輻射的雙重狀態。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。

在壓強和濕度方面，宇宙環境中的這兩項參數均處于絕對狀態。壓強接近真空（約10的負14次方帕，近地軌道約10的負7次方帕），與標準大氣壓（約101.3千帕）形成鮮明對比；濕度為絕對干燥狀態，如航天器需要利用人工系統完成水循環。而地面環境則相對溫和，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，降低成像質量。具體表現為：真空會導致材料揮發（如潤滑劑蒸發）、密封失效或結構變形。同時，由于缺乏空氣對流散熱，熱量只能通過輻射散失，導致散熱速度極慢，而溫差的變化也會導致鏡頭折射率變化，引入像差。在近乎全黑環境下，微弱星光、宇宙射線、傳感器暗電流均會產生偽信號，導致結果不準確。

此外，微重力環境下，相機的機械結構可能因缺乏重力支撐而松動，影響對焦精度或鏡頭穩定性；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范圍，導致過曝或欠曝。

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）

這些特殊的環境均會對相機的靈敏度造成影響，影響成像質量。

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上的不同，更關鍵的是太空極端環境帶來的多重挑戰：氣壓變化、極端高低溫變化、極端輻射環境。具體表現為：

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

（2）電子元件缺乏抗輻射設計：普通相機的傳感器和電路板會因輻射快速失效。如：相機內部的電子學線路和電學板卡（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部電學結構，低輻射則會引入弱雜光信號。

（3）光學系統未針對空間環境優化：普通鏡頭的鍍膜和透光率無法適應太空中的強光或弱光條件。如：光學系統內部光源與太空探測需求不匹配，多波長的信號雜光影響，或光學系統結構內的光學元件鍍膜、控制系統及信號傳輸在太空環境下可能會出現膜層脫落、信號傳輸中斷、光學元件移位等問題。

（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。例如，哈勃望遠鏡的鏡面采用低膨脹系數的熔石英，并配備熱控涂層以維持溫度穩定，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）、屏蔽材料（如鉭、聚乙烯）和冗余電路設計。例如，火星探測器上的相機采用抗輻射FPGA芯片，確保在強輻射環境下仍能正常工作；詹姆斯-韋伯望遠鏡的主鏡采用金鍍層以優化紅外反射率，其紅外傳感器需低溫環境。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，確保望遠鏡在極低溫下運行。

（3）使用無揮發性潤滑劑、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構，避免氣體釋放污染光學系統。

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

（5）使用大尺寸傳感器、多光譜成像、HDR合成（高動態范圍成像）或低溫冷卻（降低熱噪聲）等技術。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太空環境？我們提出了新思路

為確保相機適應外太空極端環境，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、輻射環境模擬及熱循環測試等傳統方法。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境中操作，面臨低溫、強風及后勤保障困難，甚至可能因設備故障導致人員凍傷；液氮測試雖能模擬極低溫，但液氮的低溫危險性、揮發導致的缺氧風險及操作復雜性常引發安全事故；真空測試周期漫長且成本高昂，艙體密封失效或材料揮發等問題會延誤項目進度；輻射測試依賴放射性物質或高能粒子加速器，存在輻射泄漏風險，設備故障還可能直接損壞相機；熱循環測試中，反復熱應力（指周期性溫度變化引發的交變熱應力）易導致機械疲勞，傳感器焊點脫落或結構裂紋等問題頻發。

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

在真空罐內，我們團隊創新性地用鋁材料設計了一套反射式光學系統——反射鏡和支撐結構均采用鋁材料，滿足極低溫無熱化設計要求，還為光學系統用熱控技術做了一套“衣裳”，讓光學系統“涼透”，從而實現極低溫目標的輸出。利用這套系統，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。

極低溫紅外目標模擬系統實物圖

（來源：中國科學院西安光機所）

注：波長作為相機設計的核心指標之一，代表著相機看到光波的類型，在光學領域，光的分類通常用波長進行劃分，我們光電行業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致的，能夠被人眼看到都屬于可見光波段。在宇宙深空環境，還分布著大量人眼不可見的目標，但是人眼不可見不代表儀器設備不可見，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計的成像設備。

思路形成后難題接踵而至，我們迎難而上

設計之初，我們想要研發一種能夠模擬多維度極端環境參數的綜合測試設備，涵蓋極端溫度、真空環境、高溫輻射等極端條件。用戶提出的指標在當時國內外都是難度極高的——國內成功案例很少，且各類裝置的指標達不到我們的要求；歐美各國雖有應用案例，但都用于軍事領域，其技術參數和技術路線都受到嚴格保密。因此，我們也只能自主探索。總而言之，這個任務對整個國內科研隊伍而言都是一項重大技術挑戰。

要想實現宇宙環境模擬，必須攻克眾多難點。如何讓不同的極端環境參數“不打架”，做到“協同工作”？這就像同時用空調、微波爐、電吹風和磁懸浮裝置工作，但要求它們互不干擾——需要開發精密的“環境調度系統”。對于極端溫度控制，如何讓設備同時模擬并承受住“冷如深空，熱如烈日”兩種環境？另外，如何“看清”極端環境下的細微變化？就像在暴風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。

就無熱化設計來說，當精密光學系統面臨極端低溫環境下的“變形”挑戰時，我們團隊針對這個問題產生了兩種聲音：一種認為應該用傳統光學材料，采用穩扎穩打方式去嘗試；另一種支持用全新的鋁材料制作在極低溫環境下工作的反射鏡——這在以前沒有應用案例，在國內外公開報道中均屬于首例。

經過深入論證，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，我們聯系了國內優秀的加工廠商，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（衡量光學元件表面質量的指標）加工到了國內最高水平，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、精密控溫系統、冷量傳輸方案及高效隔熱工藝等技術瓶頸。

“宇宙環境模擬器”成功交付！

經過兩年的科研攻關，我們團隊創新性地提出了基于全鋁材質的大口徑光學無熱化結構和基于紅外自發輻射雜散光抑制設計方案，構建出全系統分區控溫指標，成功滿足了目標模擬系統的快速制冷需求，可模擬零下163攝氏度極低溫宇宙環境目標，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（中國科學院西安光機所月球與深空探測技術研究室）研制的全景相機和遠攝相機在探測器表取、采樣及國旗展示等任務中發揮了重要作用。這些成果都離不開各類目標模擬系統的測試支持，我們這臺模擬器可為各類紅外相機的組裝測試、發射前的地面標定、性能評定提供“真實”的環境和目標支撐，確保在地面就能完成對各項指標的測試評價，提高產品性能，降低在軌運行風險。

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

“宇宙環境模擬器”的成功交付，不僅標志著我國成為全球少數掌握航天器全環境測試技術的國家，更通過技術降本與產業賦能，推動航天器可靠性提升30%以上、商業航天成本降低40%，為深空探測、載人航天等國家戰略任務提供了“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、太空資源開發等前沿領域奠定堅實基礎。

未來，隨著發展的不斷需要，我們的“宇宙環境模擬器”也會隨之改進。例如，對極端環境參數擴展（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算法動態調整真空度、溫度、輻射劑量與微重力參數，為“天問四號”木星探測器載荷測試，實現零下180攝氏度至零上400攝氏度極端溫變與高能粒子輻射的聯合加載；對于環境梯度控制，在真空艙內實現溫度梯度（如一側零下100攝氏度，另一側零上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專用單位）的分區控制，模擬航天器復雜熱-輻射耦合環境。

長遠來說，可能進行：

（1）下一代模擬器原型機研發（2025-2030），實現“五參數耦合”（真空+溫度+輻射+微重力+電磁場），擴展參數范圍。真空度：不超過10的負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）；輻射環境：覆蓋電磁波（伽馬/X射線，0.1keV-10MeV）與粒子輻射（質子、中子、重離子）。

（2）聯合ESA（歐洲航天局）、JAXA（日本宇宙航空研究開發機構）共建“全球太空環境測試網絡”，共享測試數據與模型。主導制定《航天器多物理場測試國際標準》，提升我國在空間技術領域的話語權。

未來10年，“宇宙環境模擬器”將向“全參數、全尺度、全智能”方向演進，從單一測試設備升級為“太空環境生態圈”的核心樞紐。我們團隊計劃通過技術迭代與跨學科融合，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、深空通信等新興領域的技術突破，最終實現“地面模擬精度超越太空真實環境”的終極目標。

出品：科普中國

作者：李朝輝（中國科學院西安光學精密機械研究所）

監制：中國科普博覽