来源：“航空学报CJA”微信公众号
一 研究背景
脉冲星是一种高速旋转的中子星，被誉为宇宙中“极端物理的天然实验室”和最精准的天文时钟，在引力波探测、广义相对论验证、时空基准构建与维持和航天器自主导航等科学及工程领域具有极大的应用潜力，是国际空间科学与前沿技术研究的热点领域，备受世界航天大国关注。
【资料图】
面向新时期国家空间科学与国家综合PNT体系构建等发展需求，为更快推动中国脉冲星探测与计时导航技术领域发展，空间X射线聚焦望远镜作为脉冲星天基观测重大装备，对于促进该领域的发展具有重要意义。X射线聚焦光学作为空间X射线望远镜的核心组成部分，自1952年德国科学家Wolter在Compton发现的X射线全反射现象的基础上，特别是半个多世纪以来，随着X射线光学、材料科学、先进制造科学等学科的快速发展，空间X射线聚焦光学性能和应用领域均取得了长足的进步和重要发展。
图1 X射线脉冲星导航 | 图2 Chandra X射线望远镜 |
二 研究亮点
1）深度回顾了半个世纪以来X射线聚焦光学的发展历程，总结了未来脉冲星探测需求，阐述了空间X射线聚焦光学的关键技术、应用情况与发展现状。
2）论述了X射线聚焦光学（Wolter-I）的基本原理，分析了脉冲星辐射特点（低流量、背景复杂、易散射），梳理了X射线聚焦光学核心表征技术指标。
3）系统深入总结了X射线聚焦光学的三个重要发展阶段：直接加工旧时代、复制时代、直接加工新时代。梳理了每个阶段X射线光学的研制技术、技术指标、在轨应用等。
4）展望了X射线聚焦光学在航天器自主导航、天基时间基准构建以及空间科学等领域的应用需求。
（一）X射线聚焦光学：直接加工旧时代（微晶玻璃） | |
图3 ROSAT卫星搭载的X射线聚焦望远镜 | 图4 X射线聚焦望远镜 |
（二）X射线聚焦光学：复制时代（玻璃、铝箔、电铸镍/镍钴） | |
图5 NuSTAR X射线聚焦望远镜 | 图6 Suzaku X射线聚焦望远镜 |
图7 美国NASA NICER X射线聚焦望远镜 | 图8 北京控制工程研究所X射线聚焦望远镜 |
（三）X射线聚焦光学：直接加工新时代（微晶玻璃、单晶硅） | |
图9 NASA/ESA 薄玻璃Wolter-I聚焦反射镜 | 图10 美国搭载DXL的龙虾眼X射线反射镜 |
图11 欧空局Athena硅微孔X光学反射镜 | 图12 NASA Lynx单晶硅X射线反射镜 |
三 研究结论
1）未来空间X射线光子探测与成像观测仍以X射线聚焦光学统发展为主。空间X射线聚焦光学的主要发展方向是高效率、大面重比、轻质化。
2）X射线聚焦光学系统的超精密制造技术已发展至新时代直接加工工艺，主要包括：（a）基于传统光学材料和现代超精密加工技术的超大口径、超薄壁光学系统；（b）基于深度刻蚀等新工艺的轻量化X射线聚焦光学系统；（c）基于新材料和面形改进的轻质化、大面积X射线光学系统。
3）根据应用场景分析，未来X射线聚焦光学重点关注两个方面：：一是以空间科学观测和航天工程应用为主的大面积、高效率、高角分辨率需求；二是以深空探测领域航天器自主导航终端的小型化、轻质化、低功耗需求。
本文作者：李连升、梅志武、谢军、姜坤、石永强、曹振、左富昌
作者简介：李连升，高工，现任北京控制工程研究所光电组件研制中心副主任，光电测量与智能感知中关村开放实验室副主任；梅志武，研究员，现任北京控制工程研究所副所长，兼任中国宇航学会光电技术专业委员会委员，核高基专项评审组成员；谢军，研究员，现任中国空间技术研究院科技委常委，北斗重大专项工程副总设计师、北斗卫星首席总设计师。