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(guó)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(lái)致力于空間環(huán)境探測(cè)新技術(shù)研究，主持國(guó)家重大裝備預(yù)研、國(guó)家自然科學(xué)基金、“863”、空間科學(xué)先導(dǎo)背景型號(hào)等20多項(xiàng)科研攻關(guān)課題。擔(dān)任過(guò)多顆衛(wèi)星型號(hào)空間環(huán)境分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師、主管設(shè)計(jì)師。獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中科院科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，授權(quán)實(shí)用新型專利2項(xiàng)，已經(jīng)授權(quán)和正在公示的國(guó)家發(fā)明專利17項(xiàng)，撰寫(xiě)有效載荷研制技術(shù)報(bào)告和空間環(huán)境探測(cè)戰(zhàn)略規(guī)劃報(bào)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(yáng)X-EUV成像望遠(yuǎn)鏡

了解空間探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的人大概知道，盡管近年來(lái)我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展迅速，但與歐美等空間強(qiáng)國(guó)相比，整體實(shí)力仍有不小差距，尤其在先進(jìn)載荷研制方面。然而，在空間探測(cè)技術(shù)的某一領(lǐng)域，近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，取得了驕人的成績(jī)，在填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的基礎(chǔ)上，整體實(shí)力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。那就是空間X射線、極紫外探測(cè)技術(shù)。

該領(lǐng)域的學(xué)科帶頭人，正是中國(guó)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(guó)際上第一臺(tái)X射線和極紫外一體化的高分辨X-EUV成像儀，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平，甚至部分核心指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；在無(wú)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(guó)內(nèi)聚焦型X射線能譜測(cè)量技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；他研制一種微型高分辨精太陽(yáng)敏感器樣機(jī)，對(duì)于國(guó)內(nèi)發(fā)展先進(jìn)的對(duì)日觀測(cè)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(guó)空間探測(cè)技術(shù)的領(lǐng)航人，李保權(quán)瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，研制成功了太空中的一個(gè)個(gè)“火眼金睛”。

于無(wú)聲處聽(tīng)驚雷——攻堅(jiān)X-EUV成像儀

“瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，不要怕失敗，只要技術(shù)可行，方法得當(dāng)，堅(jiān)持不懈，就一定能到達(dá)勝利的彼岸?！?/p>

時(shí)勢(shì)創(chuàng)造英雄，時(shí)代催生人才，對(duì)于李保權(quán)來(lái)說(shuō)，盡管他選擇了學(xué)術(shù)，但卻是空間探測(cè)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(duì)自然科學(xué)的熱愛(ài)，大學(xué)畢業(yè)后他決定繼續(xù)深造，但在后來(lái)，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(guó)家航天事業(yè)蓬勃發(fā)展的前夜，正在讀實(shí)驗(yàn)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(guó)家的一些空間抗輻射加固項(xiàng)目和實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星的空間工程項(xiàng)目，也正是這些機(jī)會(huì)使得合作單位的領(lǐng)導(dǎo)看到他的踏實(shí)認(rèn)真和專業(yè)特長(zhǎng)。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(fù)責(zé)課題研究。

在任何學(xué)科的學(xué)習(xí)中，只有進(jìn)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(fù)面的。在小學(xué)綜合實(shí)踐課中，有些學(xué)生通過(guò)與其他學(xué)生比較，發(fā)現(xiàn)了自己的優(yōu)勢(shì)，獲得了存在感和自信心；也有的學(xué)生通過(guò)與其他學(xué)生比較，體驗(yàn)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(fù)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(fù)重?fù)?dān)，挑戰(zhàn)也接踵而來(lái)。風(fēng)云二號(hào)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器在軌運(yùn)行取得巨大成功之后，李保權(quán)意識(shí)到單靠監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的X射線流量信息，也僅僅能夠做到太陽(yáng)爆發(fā)的警報(bào)和現(xiàn)報(bào)，如果做到太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)，還需要開(kāi)發(fā)高分辨的太陽(yáng)短波成像儀器。當(dāng)時(shí)國(guó)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(guó)外也僅有美國(guó)和少量的歐洲國(guó)家研發(fā)過(guò)類似儀器，而且這種先進(jìn)復(fù)雜儀器往往也是幾個(gè)國(guó)家合作研發(fā)，如YOHKOH衛(wèi)星的太陽(yáng)X射線成像儀（SXI）就是由美國(guó)、日本、英國(guó)聯(lián)合研制，更別說(shuō)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的技術(shù)基礎(chǔ)差，也沒(méi)有國(guó)外先進(jìn)技術(shù)支持，難度之大可想而知。

“只是覺(jué)得有需求，我們就沖上去，初生牛犢不怕虎，沒(méi)有考慮到底有多難，過(guò)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(méi)有嚇退年輕的科研者，在自身?xiàng)l件嚴(yán)重不足的情況下，一遍遍翻閱相關(guān)文獻(xiàn)，聯(lián)系國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)單位探討技術(shù)的可行性，一次次泡在實(shí)驗(yàn)室從深夜到天明……

山窮水盡疑無(wú)路，柳暗花明又一村，成功總是眷顧那些堅(jiān)持不懈者。經(jīng)過(guò)多年的探索，終于，在2006年-2008年期間，李保權(quán)的研究團(tuán)隊(duì)先后在太陽(yáng)極紫外成像儀、太陽(yáng)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(dòng)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(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，他們成功研制完成國(guó)際上第一臺(tái)集成X射線成像和極紫外成像功能的X-EUV成像儀樣機(jī)，X射線成像分辨率達(dá)到2.5arcsec，極紫外成像分辨率達(dá)到1.9arcsec，鏡面粗糙度優(yōu)于0.5nm，樣機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中19.5nm鏡面反射率達(dá)到48%，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，X射線成像光學(xué)分辨率優(yōu)于美國(guó)GOES衛(wèi)星SXI近一倍。高分辨太陽(yáng)X-EUV成像望遠(yuǎn)鏡的研制完成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)多項(xiàng)空白，為國(guó)內(nèi)發(fā)展自主的先進(jìn)太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星或者空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

研究生畢業(yè)后自己主持的第一臺(tái)X-EUV成像儀獲得全面突破，順利通過(guò)了國(guó)內(nèi)第三方組織的專家驗(yàn)收，并獲得專家組的高度評(píng)價(jià)，這對(duì)于年輕的李保權(quán)來(lái)說(shuō)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(shí)間，可謂十年磨一劍。李保權(quán)的研究團(tuán)隊(duì)也有過(guò)走投無(wú)路、一棄了之的想法，但更多的時(shí)候是在享受柳暗花明、豁然開(kāi)朗的喜悅。經(jīng)過(guò)該項(xiàng)目的錘煉，使得李保權(quán)更堅(jiān)定了一個(gè)信念：世上無(wú)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(duì)落后的情況下，照搬國(guó)外的技術(shù)途徑，可能是一條死胡同，一定要在設(shè)計(jì)理念和工藝實(shí)現(xiàn)上獨(dú)辟蹊徑。

集中優(yōu)勢(shì)力量——快速研制嵌套拋物面X射線能譜儀

“做先進(jìn)東西，不能僅靠一個(gè)人、一個(gè)部門，甚至一個(gè)單位，尤其是尖端的空間探測(cè)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(shì)力量，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，協(xié)力合作。什么都想自己干，什么都干不好?！?/p>

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(lái)自天體的X射線輻射攜帶致密天體內(nèi)部活動(dòng)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(wèn)題，都希望籍于高靈敏的X射線探測(cè)來(lái)實(shí)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(wèn)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(guò)聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量，充分挖掘一切可利用的資源，最后，項(xiàng)目?jī)H用近半年左右的時(shí)間，完成了嵌套拋物面X射線能譜儀（PXS）從設(shè)計(jì)優(yōu)化、工藝探索，到鏡頭原型機(jī)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?jī)H600g左右，11層嵌套的拋物面鏡頭也順利通過(guò)了航天力學(xué)試驗(yàn)，這是國(guó)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(guó)計(jì)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(jì)更為先進(jìn)、重量更輕、靈敏度更高，而且研制工藝簡(jiǎn)化。

PXS的研制成功，將使得國(guó)內(nèi)聚焦型X射線能譜測(cè)量技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，該儀器對(duì)于國(guó)內(nèi)發(fā)展先進(jìn)的天文觀測(cè)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(guó)由航天大國(guó)躋身航天強(qiáng)國(guó)的征程中，背后是無(wú)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(shuō)：“中國(guó)科學(xué)院是我國(guó)科技國(guó)家隊(duì)，科研必須以國(guó)家需求為前提，我們有良好的技術(shù)儲(chǔ)備，有能攻關(guān)的人才隊(duì)伍，只要國(guó)家需要，隨時(shí)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(yáng)敏感器

“我們所做的載荷都是針對(duì)國(guó)家需求，瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，用創(chuàng)新的思路和方法，用最少的經(jīng)費(fèi)，力求達(dá)到最佳的效果和成果最大化?！?/p>

隨著一項(xiàng)項(xiàng)預(yù)研成果的橫空出世，李保權(quán)越來(lái)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(lái)，我國(guó)空間科學(xué)和空間天氣快速發(fā)展，多顆太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星正在開(kāi)展需求論證或者關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。然而，隨著空間太陽(yáng)成像觀測(cè)分辨率地不斷提高，單純依靠衛(wèi)星平臺(tái)的穩(wěn)定性難以實(shí)現(xiàn)高分辨的觀測(cè)需求，先進(jìn)的太陽(yáng)觀測(cè)儀器需要自身配備高性能圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，在軌運(yùn)行的先進(jìn)太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星概莫能外，但服務(wù)于穩(wěn)像系統(tǒng)的精太陽(yáng)敏感器基本上都是由美國(guó)提供。精太陽(yáng)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(yáng)敏感器稱作穩(wěn)像系統(tǒng)的“眼睛”。

目前李保權(quán)的研究團(tuán)隊(duì)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(jī)，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(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星上都有明確的需求。但這些儀器在軌運(yùn)行，都需要配備高性能穩(wěn)像系統(tǒng)，而精太陽(yáng)敏感器是穩(wěn)像系統(tǒng)的重中之重。李保權(quán)說(shuō)：“這種尖端的敏感器靠買是買不來(lái)，我們還必須開(kāi)發(fā)自己的‘眼睛’，其技術(shù)難度之大，也是不言而喻的?！?/p>

但對(duì)于李保權(quán)來(lái)說(shuō)，國(guó)際先進(jìn)，甚至國(guó)際領(lǐng)先，這是他和科研團(tuán)隊(duì)持續(xù)追求的方向。

終于，僅用2年時(shí)間，李保權(quán)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)式位置識(shí)別算法等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出微型高分辨精太陽(yáng)敏感器樣機(jī)（HASS）。該精太陽(yáng)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(duì)于美國(guó)在TRACE衛(wèi)星、STEREO衛(wèi)星，以及SDO衛(wèi)星上的精太陽(yáng)敏感器而言，HASS的體積顯著縮小，而分辨率更優(yōu)，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同類型中比HASS分辨率更高的太陽(yáng)敏感器。同時(shí)，精太陽(yáng)敏感器的研制成功對(duì)于國(guó)內(nèi)發(fā)展先進(jìn)的對(duì)日觀測(cè)衛(wèi)星或者高分辨的太陽(yáng)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(shí)別約70nm）還可以用于兩體之間微位移測(cè)量或者兩體之間精轉(zhuǎn)角測(cè)量，在衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型、空間長(zhǎng)伸展臂的姿態(tài)測(cè)量等方面也能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。

空間探測(cè)技術(shù)接地氣——響應(yīng)“全民創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)?！?/p>

談到我國(guó)空間技術(shù)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，李保權(quán)說(shuō)出了自己的苦惱，那就是，目前國(guó)內(nèi)在空間探測(cè)領(lǐng)域人才隊(duì)伍逐漸成長(zhǎng)起來(lái)，并形成一定的規(guī)模，但為了平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)需要，國(guó)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(méi)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(guó)家在技術(shù)成果轉(zhuǎn)化方面推出的一系列舉措，非常樂(lè)意響應(yīng)當(dāng)前國(guó)家提出的“全民創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”理念，也希望團(tuán)隊(duì)的研究成果能夠“打出一條產(chǎn)學(xué)研的路子”。按他的話說(shuō)，“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(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)?！痹谶@樣的動(dòng)力下，李保權(quán)團(tuán)隊(duì)正在把已經(jīng)取得的技術(shù)成果進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由旌透倪M(jìn)，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(lái)，李保權(quán)展現(xiàn)出非常的自信，他表示在未來(lái)幾年內(nèi)一定能夠讓自己的技術(shù)開(kāi)創(chuàng)出新的天地。

以國(guó)家及社會(huì)需求為己任，李保權(quán)所專攻的空間探測(cè)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……