李保權(quán)：鑄就太空里的“火眼金睛”

本刊記者 閆冬雪

李保權(quán)：鑄就太空里的“火眼金睛”

本刊記者 閆冬雪

李保權(quán)，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心新技術(shù)室副主任，博士，博士生導(dǎo)師，研究員。1973年5月生，多年來致力于空間環(huán)境探測新技術(shù)研究，主持國家重大裝備預(yù)研、國家自然科學(xué)基金、“863”、空間科學(xué)先導(dǎo)背景型號等20多項科研攻關(guān)課題。擔(dān)任過多顆衛(wèi)星型號空間環(huán)境分系統(tǒng)副主任設(shè)計師、主管設(shè)計師。獲得國家科技進步獎二等獎1項、北京市科技進步獎一等獎1項、中科院科技進步獎二等獎1項，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，授權(quán)實用新型專利2項，已經(jīng)授權(quán)和正在公示的國家發(fā)明專利17項，撰寫有效載荷研制技術(shù)報告和空間環(huán)境探測戰(zhàn)略規(guī)劃報告近百篇，培養(yǎng)指導(dǎo)10余名碩士研究生、博士研究生和博士后。

太陽X-EUV成像望遠鏡

了解空間探測技術(shù)現(xiàn)狀的人大概知道，盡管近年來我國空間科學(xué)發(fā)展迅速，但與歐美等空間強國相比，整體實力仍有不小差距，尤其在先進載荷研制方面。然而，在空間探測技術(shù)的某一領(lǐng)域，近十幾年來國內(nèi)也獲得了長足的進步，取得了驕人的成績，在填補國內(nèi)空白的基礎(chǔ)上，整體實力達到國際先進水平。那就是空間X射線、極紫外探測技術(shù)。

該領(lǐng)域的學(xué)科帶頭人，正是中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心新技術(shù)室研究員李保權(quán)。

那些年，在“一窮二白”的技術(shù)基礎(chǔ)下，他主持完成國際上第一臺X射線和極紫外一體化的高分辨X-EUV成像儀，技術(shù)指標達到國際先進技術(shù)水平，甚至部分核心指標達到國際領(lǐng)先水平；在無先例可循的情況下，他研制出一種嵌套拋物面X射線能譜儀，使得國內(nèi)聚焦型X射線能譜測量技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平；他研制一種微型高分辨精太陽敏感器樣機，對于國內(nèi)發(fā)展先進的對日觀測衛(wèi)星或者高性能圖像穩(wěn)定系統(tǒng)奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)……

作為我國空間探測技術(shù)的領(lǐng)航人，李保權(quán)瞄準國際前沿，研制成功了太空中的一個個“火眼金睛”。

于無聲處聽驚雷——攻堅X-EUV成像儀

“瞄準國際前沿，不要怕失敗，只要技術(shù)可行，方法得當(dāng)，堅持不懈，就一定能到達勝利的彼岸。”

時勢創(chuàng)造英雄，時代催生人才，對于李保權(quán)來說，盡管他選擇了學(xué)術(shù)，但卻是空間探測選中了他。

談及早年的學(xué)術(shù)生涯，李保權(quán)告訴記者，源于對自然科學(xué)的熱愛，大學(xué)畢業(yè)后他決定繼續(xù)深造，但在后來，是導(dǎo)師的學(xué)術(shù)專攻讓他接觸到航天領(lǐng)域，也帶領(lǐng)他真正踏上了空間技術(shù)的科研之路。

90年代初期，正值國家航天事業(yè)蓬勃發(fā)展的前夜，正在讀實驗核物理專業(yè)的李保權(quán)，很有幸在研究生期間就參與了我們國家的一些空間抗輻射加固項目和實踐五號衛(wèi)星的空間工程項目，也正是這些機會使得合作單位的領(lǐng)導(dǎo)看到他的踏實認真和專業(yè)特長。碩士畢業(yè)后，李保權(quán)就直接被聘到中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，并很快地負責(zé)課題研究。

在任何學(xué)科的學(xué)習(xí)中，只有進行比較，才能獲得一些有用的信息，這些信息既有積極的，也有負面的。在小學(xué)綜合實踐課中，有些學(xué)生通過與其他學(xué)生比較，發(fā)現(xiàn)了自己的優(yōu)勢，獲得了存在感和自信心；也有的學(xué)生通過與其他學(xué)生比較，體驗到了失敗，感受到了挫敗感和畏懼感。這是學(xué)生與學(xué)生之間的橫向比較，容易產(chǎn)生負面情緒，所以這種橫向比較是不提倡的。

年輕的李保權(quán)身負重擔(dān)，挑戰(zhàn)也接踵而來。風(fēng)云二號空間環(huán)境監(jiān)測器在軌運行取得巨大成功之后，李保權(quán)意識到單靠監(jiān)測太陽的X射線流量信息，也僅僅能夠做到太陽爆發(fā)的警報和現(xiàn)報，如果做到太陽活動預(yù)報，還需要開發(fā)高分辨的太陽短波成像儀器。當(dāng)時國內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)還相當(dāng)薄弱，基本處于空白狀態(tài)，在國外也僅有美國和少量的歐洲國家研發(fā)過類似儀器，而且這種先進復(fù)雜儀器往往也是幾個國家合作研發(fā)，如YOHKOH衛(wèi)星的太陽X射線成像儀（SXI）就是由美國、日本、英國聯(lián)合研制，更別說當(dāng)時國內(nèi)的技術(shù)基礎(chǔ)差，也沒有國外先進技術(shù)支持，難度之大可想而知。

“只是覺得有需求，我們就沖上去，初生牛犢不怕虎，沒有考慮到底有多難，過程中才發(fā)現(xiàn)難度很大！”回憶起這段經(jīng)歷，李保權(quán)不禁感慨。然而，困難并沒有嚇退年輕的科研者，在自身條件嚴重不足的情況下，一遍遍翻閱相關(guān)文獻，聯(lián)系國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢單位探討技術(shù)的可行性，一次次泡在實驗室從深夜到天明……

山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村，成功總是眷顧那些堅持不懈者。經(jīng)過多年的探索，終于，在2006年-2008年期間，李保權(quán)的研究團隊先后在太陽極紫外成像儀、太陽X射線成像儀的關(guān)鍵技術(shù)上取得全面突破，包括拋物/雙曲的連體加工技術(shù)、超光滑高面形的球面加工技術(shù)、高反射率干涉鍍膜技術(shù)、寬動態(tài)快門技術(shù)、微應(yīng)力固定技術(shù)、低噪聲CCD電路技術(shù)等等。經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，他們成功研制完成國際上第一臺集成X射線成像和極紫外成像功能的X-EUV成像儀樣機，X射線成像分辨率達到2.5arcsec，極紫外成像分辨率達到1.9arcsec，鏡面粗糙度優(yōu)于0.5nm，樣機的各項技術(shù)指標達到國際先進水平，其中19.5nm鏡面反射率達到48%，處于國際領(lǐng)先水平，X射線成像光學(xué)分辨率優(yōu)于美國GOES衛(wèi)星SXI近一倍。高分辨太陽X-EUV成像望遠鏡的研制完成，填補了國內(nèi)多項空白，為國內(nèi)發(fā)展自主的先進太陽觀測衛(wèi)星或者空間天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

研究生畢業(yè)后自己主持的第一臺X-EUV成像儀獲得全面突破，順利通過了國內(nèi)第三方組織的專家驗收，并獲得專家組的高度評價，這對于年輕的李保權(quán)來說是多么歡欣鼓舞！專注于該儀器的研制經(jīng)歷了近八年的時間，可謂十年磨一劍。李保權(quán)的研究團隊也有過走投無路、一棄了之的想法，但更多的時候是在享受柳暗花明、豁然開朗的喜悅。經(jīng)過該項目的錘煉，使得李保權(quán)更堅定了一個信念：世上無難事，只怕有心人。但也不能一條道走到黑，在研制基礎(chǔ)和條件保障相對落后的情況下，照搬國外的技術(shù)途徑，可能是一條死胡同，一定要在設(shè)計理念和工藝實現(xiàn)上獨辟蹊徑。

集中優(yōu)勢力量——快速研制嵌套拋物面X射線能譜儀

“做先進東西，不能僅靠一個人、一個部門，甚至一個單位，尤其是尖端的空間探測儀器，是多學(xué)科、多領(lǐng)域的交叉，要聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢力量，優(yōu)勢互補，協(xié)力合作。什么都想自己干，什么都干不好。”

眾所周知， X射線輻射是致密天體輻射的重要特征之一，這些來自天體的X射線輻射攜帶致密天體內(nèi)部活動信息或者致密天體的特征信息，目前天體物理的許多重大前沿問題，都希望籍于高靈敏的X射線探測來實現(xiàn)突破，例如宇宙大爆炸、黑洞、暗能量、超密中子星的狀態(tài)方程等重大或者基礎(chǔ)性科學(xué)問題等。

基于“十二五”期間研制X射線成像的技術(shù)基礎(chǔ)，李保權(quán)通過聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢力量，充分挖掘一切可利用的資源，最后，項目僅用近半年左右的時間，完成了嵌套拋物面X射線能譜儀（PXS）從設(shè)計優(yōu)化、工藝探索，到鏡頭原型機研制，先后突破了0.3mm平板玻璃拋物面成型技術(shù)、拋物面切割技術(shù)、鏡頭抗應(yīng)力固定技術(shù)、嵌套共焦裝配技術(shù)等。研制完成嵌套拋物面鏡鏡面粗糙度優(yōu)于0.8nm，200cm2的收集面積鏡面重量僅600g左右，11層嵌套的拋物面鏡頭也順利通過了航天力學(xué)試驗，這是國際上第一次直接將超光滑輕質(zhì)平板玻璃直接成型為拋物面鏡，大大縮短了研制周期和裝配難度。PXS相比美國計劃于2016年底發(fā)射的NICER而言，PXS的嵌套鏡面為11層，而NICER的嵌套鏡面為24層，但PXS單鏡頭的有效面積是NICER的4倍。PXS采用薄壁玻璃鏡面，而NICER采用密度更大的鋁合金鏡面。所以相比NICER而言，PXS設(shè)計更為先進、重量更輕、靈敏度更高，而且研制工藝簡化。

PXS的研制成功，將使得國內(nèi)聚焦型X射線能譜測量技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，該儀器對于國內(nèi)發(fā)展先進的天文觀測衛(wèi)星或者高精度的脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用能夠發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在中國由航天大國躋身航天強國的征程中，背后是無數(shù)空間技術(shù)研究者的心血和默默付出，李保權(quán)就是其中一位。他曾這樣說：“中國科學(xué)院是我國科技國家隊，科研必須以國家需求為前提，我們有良好的技術(shù)儲備，有能攻關(guān)的人才隊伍，只要國家需要，隨時就能頂上去。”

李保權(quán)在辦公室

敢為天下先——研制微型高分辨精太陽敏感器

“我們所做的載荷都是針對國家需求，瞄準國際前沿，用創(chuàng)新的思路和方法，用最少的經(jīng)費，力求達到最佳的效果和成果最大化。”

隨著一項項預(yù)研成果的橫空出世，李保權(quán)越來越明確自己的研究方向，那就是鑄就太空里的“火眼金睛”。

近年來，我國空間科學(xué)和空間天氣快速發(fā)展，多顆太陽觀測衛(wèi)星正在開展需求論證或者關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。然而，隨著空間太陽成像觀測分辨率地不斷提高，單純依靠衛(wèi)星平臺的穩(wěn)定性難以實現(xiàn)高分辨的觀測需求，先進的太陽觀測儀器需要自身配備高性能圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，在軌運行的先進太陽觀測衛(wèi)星概莫能外，但服務(wù)于穩(wěn)像系統(tǒng)的精太陽敏感器基本上都是由美國提供。精太陽敏感器是穩(wěn)像系統(tǒng)的核心，其分辨率大小直接影響穩(wěn)像效果，李保權(quán)形象地將這種精太陽敏感器稱作穩(wěn)像系統(tǒng)的“眼睛”。

目前李保權(quán)的研究團隊已研制完成分辨率1.9arcsec的極紫外成像儀和分辨率2.5arcsec的X射線成像儀樣機，分辨率1.4arcsec的Lyman-alpha成像儀也將在2015年研制完成。目前這些成像儀器在規(guī)劃或者預(yù)研中的太陽觀測衛(wèi)星上都有明確的需求。但這些儀器在軌運行，都需要配備高性能穩(wěn)像系統(tǒng)，而精太陽敏感器是穩(wěn)像系統(tǒng)的重中之重。李保權(quán)說：“這種尖端的敏感器靠買是買不來，我們還必須開發(fā)自己的‘眼睛’，其技術(shù)難度之大，也是不言而喻的。”

但對于李保權(quán)來說，國際先進，甚至國際領(lǐng)先，這是他和科研團隊持續(xù)追求的方向。

終于，僅用2年時間，李保權(quán)領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊利用新型位置靈敏傳感器，先后突破了低噪聲電子學(xué)、多項式位置識別算法等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出微型高分辨精太陽敏感器樣機（HASS）。該精太陽敏感器角分辨優(yōu)于0.15arcsec，重量120g，功耗小于0.13W，采樣率550Hz。相對于美國在TRACE衛(wèi)星、STEREO衛(wèi)星，以及SDO衛(wèi)星上的精太陽敏感器而言，HASS的體積顯著縮小，而分辨率更優(yōu)，目前還沒有發(fā)現(xiàn)同類型中比HASS分辨率更高的太陽敏感器。同時，精太陽敏感器的研制成功對于國內(nèi)發(fā)展先進的對日觀測衛(wèi)星或者高分辨的太陽成像儀器奠定了很好的技術(shù)基礎(chǔ)，而且該儀器的高位置靈敏性（位置識別約70nm）還可以用于兩體之間微位移測量或者兩體之間精轉(zhuǎn)角測量，在衛(wèi)星編隊構(gòu)型、空間長伸展臂的姿態(tài)測量等方面也能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。

空間探測技術(shù)接地氣——響應(yīng)“全民創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”

“我們的科研成果既可以服務(wù)于空間科學(xué)這種高大上的領(lǐng)域，成果的適當(dāng)延伸和拓展也可以用于國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場。”

談到我國空間技術(shù)所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，李保權(quán)說出了自己的苦惱，那就是，目前國內(nèi)在空間探測領(lǐng)域人才隊伍逐漸成長起來，并形成一定的規(guī)模，但為了平衡經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)需要，國家在空間科學(xué)衛(wèi)星上投入較少，再加上相關(guān)技術(shù)在跨學(xué)科應(yīng)用方面也存在一定的人為壁壘，導(dǎo)致多年積累的創(chuàng)新性技術(shù)并沒有得到充分的應(yīng)用。為此李保權(quán)稱，非常欣慰地看到近期國家在技術(shù)成果轉(zhuǎn)化方面推出的一系列舉措，非常樂意響應(yīng)當(dāng)前國家提出的“全民創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”理念，也希望團隊的研究成果能夠“打出一條產(chǎn)學(xué)研的路子”。按他的話說，“我們的科研成果既可以服務(wù)于空間科學(xué)這種高大上的領(lǐng)域，也一定程度上可以用于國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場。”在這樣的動力下，李保權(quán)團隊正在把已經(jīng)取得的技術(shù)成果進行適當(dāng)?shù)难由旌透倪M，希望在空間科學(xué)以外的領(lǐng)域獲得更多應(yīng)用，包括正在研發(fā)的聚焦型X射線產(chǎn)生調(diào)制器、微光EBAPS成像技術(shù)、微型星敏感器等。展望未來，李保權(quán)展現(xiàn)出非常的自信，他表示在未來幾年內(nèi)一定能夠讓自己的技術(shù)開創(chuàng)出新的天地。

以國家及社會需求為己任，李保權(quán)所專攻的空間探測技術(shù)也向接地氣轉(zhuǎn)移，而前方的道路是崎嶇，又是寬闊；有艱難，也必有驚喜……