要上太空的相機(jī)會(huì)面臨哪些挑戰(zhàn)！2024年，嫦娥六號(hào)成功登陸月球背面，并傳回了大量清晰的月背真實(shí)畫(huà)面。五星紅旗在月背展示的畫(huà)面火爆全網(wǎng)，網(wǎng)友們感嘆祖國(guó)強(qiáng)大的同時(shí)，也被這異常清晰的畫(huà)面所震撼。

這些高清照片的背后，是無(wú)數(shù)科研人員的付出與努力。宇宙環(huán)境和地面環(huán)境有著本質(zhì)區(qū)別，導(dǎo)致普通相機(jī)在極端環(huán)境下無(wú)法運(yùn)行，因此，科研人員需要對(duì)空間相機(jī)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，才能在太空中拍出清晰的畫(huà)面。這些高清照片不僅標(biāo)志著我國(guó)具有自主生產(chǎn)深空相機(jī)的能力，還彰顯了我國(guó)科研人員征服宇宙的決心——以太空相機(jī)的“眼睛”去探索浩瀚的宇宙星空。

要上太空的相機(jī)，在宇宙環(huán)境中會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，宇宙空間接近真空，溫度變化劇烈。近地軌道在光照狀態(tài)下，溫度可達(dá)120攝氏度以上，而背陽(yáng)面的溫度則可能低于零下150攝氏度甚至更低。相比之下，地面溫度變化相對(duì)平穩(wěn)，通常在零下50攝氏度到零上50攝氏度之間。這種極大的溫差會(huì)導(dǎo)致相機(jī)出現(xiàn)一系列問(wèn)題：材料熱脹冷縮、電子元件性能下降或失效、光學(xué)鏡片變形及脫焦、機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死或開(kāi)裂等。此外，環(huán)境的變化還會(huì)直接影響成像質(zhì)量，造成像質(zhì)不清晰、像素不穩(wěn)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(xiàn)、太陽(yáng)風(fēng)等高能粒子，這些粒子對(duì)電子設(shè)備具有毀滅性傷害。它們會(huì)穿透相機(jī)外殼，破壞電子元件（如傳感器、存儲(chǔ)器），導(dǎo)致圖像噪聲增加或設(shè)備故障。地球表面有臭氧層吸收部分宇宙射線(xiàn)，地表輻射約0.3μSv/h，而航天器需鉛、聚乙烯等屏蔽材料進(jìn)行防護(hù)。在太空環(huán)境中，輻射無(wú)處不在，相機(jī)設(shè)備需要同時(shí)應(yīng)對(duì)光照強(qiáng)輻射和背陽(yáng)面弱輻射的雙重狀態(tài)。

宇宙環(huán)境中的壓強(qiáng)接近真空，濕度為絕對(duì)干燥狀態(tài)。這些因素也會(huì)對(duì)相機(jī)的靈敏度造成影響，降低成像質(zhì)量。具體表現(xiàn)為：真空會(huì)導(dǎo)致材料揮發(fā)、密封失效或結(jié)構(gòu)變形。由于缺乏空氣對(duì)流散熱，熱量只能通過(guò)輻射散失，導(dǎo)致散熱速度極慢，溫差的變化也會(huì)導(dǎo)致鏡頭折射率變化，引入像差。在近乎全黑環(huán)境下，微弱星光、宇宙射線(xiàn)、傳感器暗電流均會(huì)產(chǎn)生偽信號(hào)，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

普通的相機(jī)到了太空中，顯然不能拍出清晰的照片。這不僅涉及相機(jī)材質(zhì)上的不同，更關(guān)鍵的是太空極端環(huán)境帶來(lái)的多重挑戰(zhàn)：氣壓變化、極端高低溫變化、極端輻射環(huán)境。具體表現(xiàn)為：

- 材料與結(jié)構(gòu)無(wú)法承受極端環(huán)境：普通相機(jī)的外殼、密封件和潤(rùn)滑劑無(wú)法適應(yīng)真空或極端溫度。 - 電子元件缺乏抗輻射設(shè)計(jì)：普通相機(jī)的傳感器和電路板會(huì)因輻射快速失效。 - 光學(xué)系統(tǒng)未針對(duì)空間環(huán)境優(yōu)化：普通鏡頭的鍍膜和透光率無(wú)法適應(yīng)太空中的強(qiáng)光或弱光條件。 - 散熱與熱控缺失：普通相機(jī)依賴(lài)空氣對(duì)流散熱，在真空中無(wú)法通過(guò)這一途徑散熱，會(huì)因過(guò)熱導(dǎo)致性能下降。

為了使相機(jī)適應(yīng)太空環(huán)境，相機(jī)需要具備一些特殊能力：

- 采用多層隔熱材料、熱輻射器、相變材料或主動(dòng)加熱/冷卻系統(tǒng)。 - 使用抗輻射加固的電子元件、屏蔽材料和冗余電路設(shè)計(jì)。 - 使用無(wú)揮發(fā)性潤(rùn)滑劑、真空密封接頭和抗真空出氣的材料。 - 采用剛性框架、鎖緊機(jī)構(gòu)或主動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)。 - 使用大尺寸傳感器、多光譜成像、HDR合成或低溫冷卻等技術(shù)。

為了確保相機(jī)適應(yīng)外太空極端環(huán)境，科研團(tuán)隊(duì)提出在實(shí)驗(yàn)室造一個(gè)“宇宙環(huán)境模擬器”的新思路，專(zhuān)業(yè)的說(shuō)法叫做低溫真空冷背景模擬系統(tǒng)，或者極低溫紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)用成熟的真空罐作為測(cè)試環(huán)境平臺(tái)，既可以模擬真空環(huán)境，還可以克服實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化帶來(lái)的測(cè)試不穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)兩年的科研攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于全鋁材質(zhì)的大口徑光學(xué)無(wú)熱化結(jié)構(gòu)和基于紅外自發(fā)輻射雜散光抑制設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建出全系統(tǒng)分區(qū)控溫指標(biāo)，成功滿(mǎn)足了目標(biāo)模擬系統(tǒng)的快速制冷需求，可模擬零下163攝氏度極低溫宇宙環(huán)境目標(biāo)，攻克了±0.1攝氏度級(jí)精密溫控難題，最終于2025年4月2日成功交付。

以嫦娥六號(hào)探測(cè)器為例，其在月球背面著陸并進(jìn)行了為期約2天的月背探測(cè)及采樣工作。全景相機(jī)和遠(yuǎn)攝相機(jī)在探測(cè)器表取、采樣及國(guó)旗展示等任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。這些成果都離不開(kāi)各類(lèi)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的測(cè)試支持，模擬器可為各類(lèi)紅外相機(jī)的組裝測(cè)試、發(fā)射前的地面標(biāo)定、性能評(píng)定提供“真實(shí)”的環(huán)境和目標(biāo)支撐，確保在地面就能完成對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試評(píng)價(jià)，提高產(chǎn)品性能，降低在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

這一成果的突破，將加速我國(guó)從“航天大國(guó)”向“航天強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，為未來(lái)星際探索、太空資源開(kāi)發(fā)等前沿領(lǐng)域奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著發(fā)展的不斷需要，“宇宙環(huán)境模擬器”也會(huì)隨之改進(jìn)，擴(kuò)展極端環(huán)境參數(shù)，引入AI算法動(dòng)態(tài)調(diào)整真空度、溫度、輻射劑量與微重力參數(shù)，為未來(lái)的航天任務(wù)提供更全面的支持。