浩瀚宇宙的地月空间，一场跨越35万公里的“光影对话”悄然上演。日前，中国科学院上海天文台研制的新型激光角反射器，联合地面测站成功实施了地月空间35万公里的卫星激光测距试验。
这是国内首个成功被观测到的地月距离尺度的激光反射器载荷，也是继美国“蓝色幽灵”着陆器搭载的“下一代月球反射器”后，第2个在地月距离上实现单角锥激光测距的反射器。这一成果标志着我国具备了地月高精度激光测距全链路的自主研发和工程应用能力，是我国在深空探测领域迈出的重要一步。
为此，上海天文台卫星激光测距及应用团组接受了解放日报记者专访，解读这项成果背后的科学密码与战略意义。
【重量仅1.3千克，反射误差理论上可达亚毫米级】
此次新技术试验，属于中国科学院战略性先导专项“地月空间DRO探索研究”的任务之一。DRO，即远距离逆行轨道。该轨道的方向与月球环绕地球的方向相反，堪称连接地球、月球和深空的“交通枢纽”。卫星激光测距是目前精度最高的测距技术之一，激光反射器就是每一个测距链路的靶点，此次试验的成功将我国的卫星激光测距能力范围由地球轨道扩展到了月球DRO轨道。
而此次试验的“主角”——新型激光角反射器，采用了特殊的单角锥设计。
上海天文台研制的单角锥反射器
“角锥棱镜（以下简称角锥）是激光反射器的核心元件，具有将光束原路反射回去的特性。传统的阵列型激光反射器是由多件角锥棱镜组合而成，虽然角锥数量的堆砌可以提供足够的反射能量，但同时也带来了分散反射造成的精度下降问题。相比而言，单角锥设计则‘天生’具备极高的精度，而我们工作的主要挑战就是想尽办法‘以一敌众’，将单个角锥的反射能力提升到可以媲美角锥阵列的程度。”项目负责人孟文东正高级工程师说。
这种设计使得反射器载荷重量仅1.3千克，相较于阿波罗系列月球反射器轻了十余倍，大大降低了搭载难度，更适合部署在高轨道卫星和月球表面。该反射器引起的测距误差理论上可达到1毫米以下，显著优于阵列型反射器。
【反射能力与美国阿波罗11号月面反射器相近】
值得一提的是，此次试验是国际上首次实现对地月距离卫星星载单角锥反射器的激光测距，进一步检验了该型反射器应用于地月距离激光测距的工程可行性。与美国在不久前于月球表面“危海”部署的同类反射器相比，我们的载荷任务面临着不同甚至更大的技术挑战。相对于月面着陆的固定目标，月球DRO轨道卫星的预报精度更低，载荷面对的热环境也更为复杂，这都给反射器的设计和观测增加了难度。
谈及攻克了哪些关键技术，团队成员如数家珍。
“高速运动的卫星反射的激光信号，并非如人们的直觉一般严格原路反射，而是会产生一个有趣的偏角，这被称作速度光行差现象。因此要做到激光反射器性能的最大化，其反射远场能量分布必须匹配速度光行差的大小和方向，这就要求根据卫星轨道、测站位置和测距系统参数等因素进行定制化的反射器设计。”反射器设计师汤凯高级工程师解释。
反射器设计师程志恩高级工程师说：“为了反射更多光能量，我们很容易想到增大单件角锥棱镜的通光口径，但随之带来的镜体材料均匀性和加工精度等高要求却并不容易满足。棱镜的关键指标‘二面角补偿’需要做到微弧度级别，这相当于1度的近两万分之一。我们不仅要在工艺上实现它，更需要将其准确地测量出来。”
单角锥反射器及遮光罩
“此外，角锥棱镜在轨道上会受到卫星本身和宇宙空间背景的热效应影响，产生镜体内部温度的不均匀，从而扰乱其反射远场能量分布，导致性能下降。这种影响对大型角锥棱镜尤为明显。”汤凯补充道，为此，团队探索了一种针对透明材料的体吸收热仿真方法，在实施中通过材料表面处理、辐射遮挡和热包覆等技术解决了这个问题。
“上海天文台在激光角反射器方面有二十余年的深入研究和工程经验，先后承担了北斗、天宫、空间站等高、中、低轨道的各类卫星和飞行器的反射器研制任务。团队长期的科研文化和技术积累给了我们寻求突破的力量。”团组副组长吴志波正高级工程师说。
正是这些技术突破，让该反射器载荷具备了与月面激光反射器阿波罗11号（重23.6千克，含100件角锥）相近的反射能力，也表明我国的地月距离激光反射器研制能力达到了国际领先的水平。
【自主研发，好比拥有自己的“导航地图”】
这项成果的应用前景十分广阔。
该载荷能够广泛部署于地月空间卫星和月球表面，配合地面测站能以更高的精度进行月球激光测距、地月空间卫星的测定轨和时间传递，其产生的高质量科学数据不仅能支持我国的重大地月空间探索任务，还能够帮助我们深入研究月球物理、广义相对论和引力红移等科学方向。
“这就像给地月之间拉了一把精密的尺子，能将如此大的空间内任何感兴趣的点（飞行器）到地球的距离精确测出来。”团组首席科学家张忠萍研究员总结。
地月空间是人类探索的一个重要方向，未来的月球科研站计划更需要高精度的测距和时间同步服务。我国自主研发的这一地月反射器，好比为地月之间的所有活动准备了定位“靶标”，具有重要的战略意义。
“自主研发就像是拥有了属于自己的‘导航地图’，能保障数据主权，避免再出现被‘卡脖子’的困境。”团组组长黄勇研究员说。
