要上太空的相机会面临哪些挑战！2024年，嫦娥六号成功登陆月球背面，并传回了大量清晰的月背真实画面。五星红旗在月背展示的画面火爆全网，网友们感叹祖国强大的同时，也被这异常清晰的画面所震撼。
这些高清照片的背后，是无数科研人员的付出与努力。宇宙环境和地面环境有着本质区别，导致普通相机在极端环境下无法运行，因此，科研人员需要对空间相机进行特殊设计，才能在太空中拍出清晰的画面。这些高清照片不仅标志着我国具有自主生产深空相机的能力，还彰显了我国科研人员征服宇宙的决心——以太空相机的“眼睛”去探索浩瀚的宇宙星空。
要上太空的相机，在宇宙环境中会面临诸多挑战。首先，宇宙空间接近真空，温度变化剧烈。近地轨道在光照状态下，温度可达120摄氏度以上，而背阳面的温度则可能低于零下150摄氏度甚至更低。相比之下，地面温度变化相对平稳，通常在零下50摄氏度到零上50摄氏度之间。这种极大的温差会导致相机出现一系列问题：材料热胀冷缩、电子元件性能下降或失效、光学镜片变形及脱焦、机械结构卡死或开裂等。此外，环境的变化还会直接影响成像质量，造成像质不清晰、像素不稳定、像元失真等情况。
在辐射方面，宇宙空间中存在大量的宇宙射线、太阳风等高能粒子，这些粒子对电子设备具有毁灭性伤害。它们会穿透相机外壳，破坏电子元件（如传感器、存储器），导致图像噪声增加或设备故障。地球表面有臭氧层吸收部分宇宙射线，地表辐射约0.3μSv/h，而航天器需铅、聚乙烯等屏蔽材料进行防护。在太空环境中，辐射无处不在，相机设备需要同时应对光照强辐射和背阳面弱辐射的双重状态。
宇宙环境中的压强接近真空，湿度为绝对干燥状态。这些因素也会对相机的灵敏度造成影响，降低成像质量。具体表现为：真空会导致材料挥发、密封失效或结构变形。由于缺乏空气对流散热，热量只能通过辐射散失，导致散热速度极慢，温差的变化也会导致镜头折射率变化，引入像差。在近乎全黑环境下，微弱星光、宇宙射线、传感器暗电流均会产生伪信号，导致结果不准确。
普通的相机到了太空中，显然不能拍出清晰的照片。这不仅涉及相机材质上的不同，更关键的是太空极端环境带来的多重挑战：气压变化、极端高低温变化、极端辐射环境。具体表现为：
- 材料与结构无法承受极端环境：普通相机的外壳、密封件和润滑剂无法适应真空或极端温度。 - 电子元件缺乏抗辐射设计：普通相机的传感器和电路板会因辐射快速失效。 - 光学系统未针对空间环境优化：普通镜头的镀膜和透光率无法适应太空中的强光或弱光条件。 - 散热与热控缺失：普通相机依赖空气对流散热，在真空中无法通过这一途径散热，会因过热导致性能下降。
为了使相机适应太空环境，相机需要具备一些特殊能力：
- 采用多层隔热材料、热辐射器、相变材料或主动加热/冷却系统。 - 使用抗辐射加固的电子元件、屏蔽材料和冗余电路设计。 - 使用无挥发性润滑剂、真空密封接头和抗真空出气的材料。 - 采用刚性框架、锁紧机构或主动姿态控制系统。 - 使用大尺寸传感器、多光谱成像、HDR合成或低温冷却等技术。
为了确保相机适应外太空极端环境，科研团队提出在实验室造一个“宇宙环境模拟器”的新思路，专业的说法叫做低温真空冷背景模拟系统，或者极低温红外目标模拟系统。该系统用成熟的真空罐作为测试环境平台，既可以模拟真空环境，还可以克服实验室环境温度变化带来的测试不稳定性。
经过两年的科研攻关，团队创新性地提出了基于全铝材质的大口径光学无热化结构和基于红外自发辐射杂散光抑制设计方案，构建出全系统分区控温指标，成功满足了目标模拟系统的快速制冷需求，可模拟零下163摄氏度极低温宇宙环境目标，攻克了±0.1摄氏度级精密温控难题，最终于2025年4月2日成功交付。
以嫦娥六号探测器为例，其在月球背面着陆并进行了为期约2天的月背探测及采样工作。全景相机和远摄相机在探测器表取、采样及国旗展示等任务中发挥了重要作用。这些成果都离不开各类目标模拟系统的测试支持，模拟器可为各类红外相机的组装测试、发射前的地面标定、性能评定提供“真实”的环境和目标支撑，确保在地面就能完成对各项指标的测试评价，提高产品性能，降低在轨运行风险。
这一成果的突破，将加速我国从“航天大国”向“航天强国”迈进，为未来星际探索、太空资源开发等前沿领域奠定坚实基础。随着发展的不断需要，“宇宙环境模拟器”也会随之改进，扩展极端环境参数，引入AI算法动态调整真空度、温度、辐射剂量与微重力参数，为未来的航天任务提供更全面的支持。
