太空中的“小精靈”
——解析首顆脈沖星試驗衛(wèi)星

□ 梁亞坤 紫曉

太空中的“小精靈”
——解析首顆脈沖星試驗衛(wèi)星

□ 梁亞坤 紫曉

2016年11月10日，在萬眾矚目中，我國首顆X射線脈沖星試驗衛(wèi)星開始了太空探索之旅。作為中國航天在原始創(chuàng)新、技術革命道路上的一個重要里程碑事件，X射線脈沖星試驗衛(wèi)星的發(fā)射，對于嘗試建立一個長期穩(wěn)定運行的時間基準系統(tǒng)具有重要意義。

整星三維圖

小衛(wèi)星肩負大使命

利用脈沖星引導航天器在宇宙空間自由地航行，目前僅僅是在理論上成立，在技術上到底可行不可行，全世界都不得而知，是世界航天技術的“無人區(qū)”。

2005年，中國空間技術研究院跟蹤國際研究動向，敏銳洞察脈沖星導航這一航天“跨代”發(fā)展的顛覆性技術的大勢，自主投入率先果斷啟動了脈沖星導航理論研究工作。在國外可參考研究成果極少，國內相關研究基礎十分薄弱的情況下，取得了理論的突破； 2013年10月，又自主啟動了脈沖試驗衛(wèi)星的研制工程。經過十余年的刻苦攻關，形成了系統(tǒng)完整的脈沖星導航理論體系，突破了總體設計、核心關鍵技術攻關、地面試驗驗證等關鍵技術和專用試驗衛(wèi)星的研制，把世界第一顆X射線脈沖星試驗衛(wèi)星放飛到廣袤的宇宙空間。

X射線脈沖星試驗衛(wèi)星是一顆只有243千克重的微小衛(wèi)星，堪稱太空中的”小精靈”。別看它個頭小，卻攜帶了116千克的載荷，本領非常大。太空“小精靈”長著一雙宇宙“千里眼”，科學家把其中的一只眼睛叫做準直型微通道板探測器，它一下子可以看到2400平方厘米大小的面積；另一只叫做聚焦型探測器，它的聚焦鏡頭口徑為17厘米，是國際上最先進的軟X射線探測器，不僅可以觀看數萬光年外的脈沖星，而且可以記錄每一個X光子的能量，繪制能量顏色圖，研究每顆脈沖星的內部結構與成分組成。特別是通過長時間地看同一顆脈沖星，可以獲得脈沖星的輻射特性、時變特性以及周期變化情況等等。不僅如此，它還可以通過全體掃描的方式，探測全天區(qū)的軟X射線暫現源和包括空間太陽風爆發(fā)、地球電離層等空間環(huán)境，為人類提供更多的太空“天氣”預報，是個太空“多面手”。

科學家試圖通過它在一年的壽命周期里實現三個目標。一是在空間環(huán)境下實測驗證兩種類型的X射線探測器性能，研究宇宙背景噪聲及探測器響應機制；二是探測蟹狀星云脈沖星或脈沖雙星系統(tǒng)，提取脈沖星輪廓，解決用中國研制的探測器“看得見”X射線脈沖星的問題；三是嘗試長時間累積觀測3顆低流量脈沖星，建立試驗型數據庫，探索建立脈沖星導航系統(tǒng)體制的可行性。

如果X射線脈沖星試驗衛(wèi)星首飛證明脈沖星導航技術是可行的，無疑將顛覆目前的衛(wèi)星導航體制，推動衛(wèi)星導航技術的革命性變革，實現在世界航天技術的最高點上由中國“領跑”。

勇于創(chuàng)新實現快好省

X射線脈沖星試驗衛(wèi)星項目，從論證到研制完成只用了3年時間，其中從衛(wèi)星任務確定開始正樣研制到整星出廠只用了10個月，可以說是我國研制速度最快的微小衛(wèi)星項目之一，創(chuàng)造了快、好、省衛(wèi)星研制的成功經驗。

工作體制新

脈沖星試驗衛(wèi)星，搭載了準直型微通道板探測器和射聚焦型探測器。這兩種X射線脈沖星探測技術都是我國首次上天投入使用，在性能上各有所長，它們既可以相互配合，又可以獨立完成探測任務。微通道板探測器的有效探測面積大，所需的脈沖星觀測時間短；聚焦型探測器的探測效率高，設備規(guī)模小?？萍既藛T之所以選用兩種不同體制的探測器開展在軌試驗，其目的就是為了解決、驗證X射線脈沖星在軌“看得見”的問題。一方面通過多種探測技術對X射線脈沖星的在軌觀測獲取第一手的科學數據，進一步開展脈沖星導航；另一方面，也為未來脈沖星探測器的技術發(fā)展方向提供實際數據支撐，為脈沖星導航技術的工程化應用奠定基礎。

復雜程度高

為了更快更多地獲得科學數據，研究人員要求太空“小精靈”能夠在一天的全部軌道圈次內不停地工作。如果按照現有的技術手段實現這一目標，衛(wèi)星每完成一次“凝視觀測”任務，地面都需要預先向衛(wèi)星發(fā)送大約50條指令。這些指令主要用于設置探測器狀態(tài)、設置衛(wèi)星平臺設備進入觀測狀態(tài)、設定衛(wèi)星姿態(tài)調整計劃以及結束觀測任務后的衛(wèi)星狀態(tài)恢復等。如果要實現讓它每一圈都工作的目標，則地面人員需要在衛(wèi)星整個壽命期間，不停地上注控制指令，并監(jiān)控狀態(tài)，這幾乎是“不可能完成的任務”。為了讓它在每一天或每一周，運行的每一圈中都不停地工作，多做貢獻，需要對它進行更為復雜的設計，給它安裝上“智能大腦”，這樣，地面人員只需要一次性發(fā)送何時何地看誰的指令，由它自行排序，自主分解成所需要的動作，按照計劃逐一完成全部觀測工作。

功能密度強

為使這顆微小衛(wèi)星濃縮更多更為強大的功能，科技人員通過采用綜合電子組件，實現了衛(wèi)星功能的高度集成。比如說，用一臺重量僅為10千克的單機，替代常規(guī)設計的6～8臺設備，實現衛(wèi)星的信息管理、遙測遙控、電源管理與控制、姿態(tài)軌道運算與控制、信息處理以及熱控管理等全部功能。通過系統(tǒng)性集成化的設計，大大提高了衛(wèi)星平臺的功能密度，在整個200多千克的衛(wèi)星平臺中，有效載荷幾乎占據了一半的重量，這在過去都是沒有的，從而，探索出一條適合于我國商業(yè)微小衛(wèi)星發(fā)展的技術發(fā)展道路。

研制流程新

衛(wèi)星采用了突破傳統(tǒng)模式，優(yōu)化研制流程，“一步正樣”的研制模式。技術人員通過事先對系統(tǒng)電接口的充分測試后，直接投產正樣產品；用深入全面的系統(tǒng)仿真技術代替或簡化整星級的各類試驗項目，同時在確保系統(tǒng)測試項目完備，確保衛(wèi)星質量的可靠性的的前提下，盡可能優(yōu)化研制流程，大幅縮短測試試驗周期，因此，僅用10個月，就完成了衛(wèi)星的設計、生產、總裝、測試與試驗等全部工作，創(chuàng)造了我國研制速度最快微小衛(wèi)星項目的成功先例，這也標志著我國的微小衛(wèi)星設計建造水平進入了一個全新的發(fā)展階段。

衛(wèi)星外形局部特寫

脈沖星為航天器導航想象圖

試驗驗證難

在衛(wèi)星研制中，都要經過各種試驗驗證，千錘百煉達到要求后才能“放行”?？墒牵}沖星輻射的X射線光子無法穿透地球稠密大氣層，只能在大氣層外空間才能探測到，在地面上怎樣進行試驗呢？為了在地面定量測試X射線脈沖星導航關鍵技術和模擬驗證導航過程，技術人員大干40天，每天工作12小時以上，克服各種困難，出色完成了整個地面試驗系統(tǒng)的整體框架和接口、軟件系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)的設計，建立X射線脈沖星導航地面試驗系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)形成了航天器自主導航的測試環(huán)境，逼真地模擬了脈沖星X射線光子信號輻射特征以及空間背景噪聲，解決了對X射線光子探測、導航數據庫更新及調用等關鍵技術的測試與航天器自主導航系統(tǒng)體制地面試驗驗證的技術難題，從而，還形成了國內唯一的脈沖星導航探測器定點檢測平臺。多型探測器和試驗設施的研制，填補了國內空白，并實現了國產化。這不僅對推動脈沖星導航技術發(fā)展具有重大意義，同時，這些成果預期可以取得較大的經濟和社會效益。