硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)成就

潘騰 盧方軍 倪潤立 尤睿 張龍 徐玉朋

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

我國于20世紀(jì)90年代初提出硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星實施空間X射線探測任務(wù)[1]。該衛(wèi)星于2011年3月正式立項,于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射并在軌運(yùn)行,標(biāo)志著我國空間科學(xué)在X射線探測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破,其星載有效載荷是一臺既能實現(xiàn)大視場快速成像,又可以對特殊天體進(jìn)行高統(tǒng)計量高精度觀測的硬X射線望遠(yuǎn)鏡,為科學(xué)家研究極端物理條件下的物理規(guī)律提供重要的新手段,使我國在國際空間高能天體物理觀測領(lǐng)域占有重要的一席之地。HXMT衛(wèi)星是國家航天局牽頭立項研制,中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬的中國空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)衛(wèi)星研制,中國科學(xué)院高能物理研究所負(fù)責(zé)有效載荷的研制和科學(xué)應(yīng)用部分的研究工作[2]。

衛(wèi)星主要任務(wù)是:①完成大天區(qū)掃描成像及重點天區(qū)變源觀測;②對銀河系內(nèi)黑洞和中子星進(jìn)行長期高頻次監(jiān)測;③高流強(qiáng)銀河系內(nèi)黑洞和中子星的高統(tǒng)計量觀測;④監(jiān)測伽馬暴等任務(wù)。用于發(fā)現(xiàn)新的高能變源和已知高能天體的新活動,理解黑洞和中子星系統(tǒng)的活動、演化機(jī)制及其基本性質(zhì);理解高能劇烈爆發(fā)天體的基本屬性,研究宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡以及中子星并合等過程中黑洞的形成和演化機(jī)制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 任務(wù)軌道設(shè)計

1)軌道傾角

HXMT衛(wèi)星探測器的探測靈敏度與衛(wèi)星所處的高能質(zhì)子通量直接相關(guān),為了使實際觀測靈敏度高,應(yīng)盡量選擇高能質(zhì)子平均通量低的軌道傾角。圖1給出了不同傾角的軌道上衛(wèi)星經(jīng)受的平均高能質(zhì)子通量,它和衛(wèi)星經(jīng)過南大西洋異常(SAA)區(qū)的時間和在SAA區(qū)中經(jīng)受的高能質(zhì)子通量均成正比。因此為了盡可能減小SAA區(qū)的影響,應(yīng)盡量使衛(wèi)星運(yùn)行在穿越SAA區(qū)時間短、高能質(zhì)子通量低的軌道上。

從圖1可以看出,高能質(zhì)子環(huán)境在軌道傾角35°附近達(dá)到峰值,選用軌道時應(yīng)該盡量避開。模擬計算表明采用43°傾角軌道時,除過SAA區(qū)外,高能望遠(yuǎn)鏡的靈敏度約為0.5 mCrab(在100 ke V,105s),能滿足HXMT衛(wèi)星定點和巡天觀測靈敏度的要求。(高能天文中通常用蟹狀星云Crab的流強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)單位,表征每秒在單位面積上記錄的某一天體在某個能區(qū)的光子數(shù)。)當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角小于20°時,雖然可以顯著縮短衛(wèi)星經(jīng)過SAA區(qū)的時間以及衛(wèi)星在SAA區(qū)所經(jīng)受的荷電粒子通量,但是由于我國地面站地理緯度較高,會影響星上數(shù)據(jù)下傳。綜合權(quán)衡各種限制條件,考慮到我國最北衛(wèi)星發(fā)射場的地理位置和現(xiàn)有測控數(shù)傳臺站,考慮選擇衛(wèi)星的軌道傾角為43°。

圖1 550 km圓軌道不同軌道傾角時衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境平均質(zhì)子通量Fig.1 Average proton flux in a 550km orbit with different inclination angles

2)軌道高度

為了降低探測器本底噪聲,軌道高度的選擇應(yīng)盡可能低。當(dāng)軌道高度大于600 km時,衛(wèi)星運(yùn)行將通過范-艾倫輻射帶,從而使本底噪聲增加,同時軌道越高帶電粒子的本底也越高,影響探測器掃描成像觀測,因此衛(wèi)星的軌道高度應(yīng)選擇小于600 km的軌道。圖2所示為軌道高度對衛(wèi)星本底的影響。

圖2 軌道高度對本底的影響Fig.2 Background with different orbit altitude

隨著軌道高度降低衛(wèi)星受到的地球紅外熱流和反照熱流將增大,會導(dǎo)致具有低溫要求的衛(wèi)星有效載荷溫度升高,表1為不同軌道高度對低溫有效載荷的溫度影響。由表1可以看出,為滿足有效載荷的低溫要求衛(wèi)星軌道應(yīng)在540 km以上。因此,考慮衛(wèi)星的軌道高度選擇550 km。

表1 不同軌道高度下低能和中能探測器溫度(高溫工況)Table 1 Low energy and medium energy detector’s temperature with different orbit altitude(high temperature)

1.2 觀測模式設(shè)計

衛(wèi)星設(shè)計了4種主要觀測模式,以滿足多種任務(wù)需求。

(1)巡天觀測模式,用于衛(wèi)星對全天球的掃描成像觀測,監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)新源或天體暴發(fā)現(xiàn)象。實現(xiàn)方法為衛(wèi)星指向太陽,并以對日軸慢速旋轉(zhuǎn),通過軌道面進(jìn)動以及地球繞太陽的周年運(yùn)動完成望遠(yuǎn)鏡對全天球的覆蓋觀測。

(2)小天區(qū)觀測模式,用于對重要天區(qū)進(jìn)行深度曝光及成像觀測,以達(dá)到更高靈敏度,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更多的X射線源。實現(xiàn)方法為衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡以某一天區(qū)域中心點進(jìn)行往復(fù)的掃描觀測,實現(xiàn)增加探測時間的目的。在小天區(qū)觀測模式下,通過多個小天區(qū)觀測疊加觀測方法,實現(xiàn)對整個銀道面的多次覆蓋,來研究和監(jiān)測銀道面X射線源的變化和暴發(fā)現(xiàn)象,實現(xiàn)銀道面觀測任務(wù)。

(3)定點觀測模式,用于對X射線雙星和X射線脈沖星進(jìn)行長時間觀測,獲得其時變及能譜數(shù)據(jù)。實現(xiàn)方法為衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)觀測源保持慣性三軸穩(wěn)定狀態(tài),最長可實現(xiàn)20天的連續(xù)觀測。

(4)伽馬暴觀測模式,用于監(jiān)測天體伽馬暴發(fā)出的硬X/軟伽馬射線。實現(xiàn)方法為衛(wèi)星的姿態(tài)狀態(tài)為定點觀測模式,通過降低主探測器光電倍增管的高壓,將碘化銫晶體的探測能區(qū)從40～600 ke V改為200 ke V～3 MeV。

以上是從科學(xué)觀測的角度提出了4種工作模式,由于載荷和平臺自身的維護(hù)也具有特殊的要求,如載荷定標(biāo)以及軌道控制等,經(jīng)過初步分析以上4種工作模式無法涵蓋其需求,因此還需要增加載荷定標(biāo)模式和軌控模式,如圖3所示。綜上,HXMT任務(wù)需要設(shè)計6種工作模式才能滿足整個飛行任務(wù)的需求。

圖3 HXMT衛(wèi)星工作模式需求Fig.3 HXMT satellite working mode demand

1.3 系統(tǒng)組成與構(gòu)型設(shè)計

HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)由有效載荷、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、電源、總體電路、控制、推進(jìn)、數(shù)傳、熱控、測控、數(shù)管、數(shù)據(jù)記錄及天線等12個分系統(tǒng)組成,系統(tǒng)組成如圖4所示。衛(wèi)星構(gòu)型采用模塊化設(shè)計,將分為5個模塊,服務(wù)艙、載荷艙、太陽翼、對接段和星箭連接分離裝置。其中服務(wù)艙主要布置衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備,包括控制推進(jìn)、電源、測控等分系統(tǒng)設(shè)備,載荷艙布置望遠(yuǎn)鏡及其電子設(shè)備,衛(wèi)星構(gòu)型如圖5所示。

圖4 衛(wèi)星系統(tǒng)組成Fig.4 Satellite system composition

圖5 HXMT衛(wèi)星構(gòu)成示意圖Fig.5 HXMT satellite composition diagram

1.4 有效載荷望遠(yuǎn)鏡設(shè)計

HXMT衛(wèi)星有效載荷分系統(tǒng)部分由4個有效載荷組成,包括高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器。

衛(wèi)星高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡均采用準(zhǔn)直型光學(xué)系統(tǒng)。為了保證望遠(yuǎn)鏡觀測指向要求將3種望遠(yuǎn)鏡集中安裝在同一個整體支撐結(jié)構(gòu)上,其中:中能和低能望遠(yuǎn)鏡各由3個互成60°的探測器單體組成;高能望遠(yuǎn)鏡由18個成陣列排列的探測器單體組成,高能望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直器安裝于載荷主結(jié)構(gòu)上板中心區(qū)域,高能望遠(yuǎn)鏡主探測器單體安裝于載荷主結(jié)構(gòu)中板,如圖6所示。

高能望遠(yuǎn)鏡由18個碘化鈉/碘化銫(NaI/CsI)單體模塊,光電倍增光及后端電子學(xué)組成?？値缀蚊娣e約5000 cm2,觀測能區(qū)范圍20～250 ke V,能量分辨率優(yōu)于19%(在60 ke V時),如圖7所示。

圖6 有效載荷示意圖Fig.6 Schematic diagram of payload

圖7 高能望遠(yuǎn)鏡單體模塊結(jié)構(gòu)Fig.7 Composition of single high energy telescope

中能望遠(yuǎn)鏡采用Si-PIN探測器,其觀測能區(qū)為5～30 keV,能量分辨率14.5%(在20 keV時),共計1728路探測器通過ASIC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出,總探測面積952 cm2,如圖8所示。

低能望遠(yuǎn)鏡采用掃式電荷器件(Swept Charger Device,SCD)探測器,觀測能區(qū)為1～15 ke V,能量分辨率為2.4%(在5.9 ke V時),總探測面積為384 cm2,如圖9所示。

空間環(huán)境監(jiān)測器安裝衛(wèi)星載荷艙＋Z方向,主要功能為監(jiān)測衛(wèi)星在軌工作期間的空間電子(能譜范圍≥0.4 Me V)和質(zhì)子環(huán)境(能譜范圍≥3 Me V),為衛(wèi)星在軌運(yùn)行本底的估計提供監(jiān)測數(shù)據(jù),同時為保障載荷和衛(wèi)星在軌運(yùn)行安全提供數(shù)據(jù),如圖10所示。

圖8 中能望遠(yuǎn)鏡組成Fig.8 Composition of medium energy telescope

圖9 低能望遠(yuǎn)鏡組成Fig.9 Composition of low energy telescope

圖10 空間環(huán)境監(jiān)測器組成Fig.10 Composition of space environment monitor

1.5 分系統(tǒng)設(shè)計

1)供配電設(shè)計

HXMT衛(wèi)星電源分系統(tǒng)針對衛(wèi)星載荷長期在軌工作的特點,選用太陽電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng),采用全調(diào)節(jié)母線以保證對軌道和負(fù)載的良好適應(yīng)能力,充電陣和供電陣單獨(dú)設(shè)計,保證了長期大負(fù)載情況下整星的能源平衡。充電陣經(jīng)充電控制器給蓄電池組充電,供電陣經(jīng)開關(guān)分流調(diào)節(jié)器給母線供電,在峰值負(fù)載和地影期,蓄電池組經(jīng)放電調(diào)節(jié)器給母線供電。供配電組成框圖如圖11所示。

2)控制設(shè)計

控制系統(tǒng)以分系統(tǒng)控制計算機(jī)為核心,在姿態(tài)確定上采用陀螺和星敏感器相結(jié)合的卡爾曼濾波方法,并通過星敏感器與載荷中心光軸同向安裝,以及星敏感器間相對安裝偏差進(jìn)行在軌估計,實現(xiàn)載荷的高精度指向;在姿態(tài)控制上采用三軸輪控與磁力矩器卸載相結(jié)合方案,保證了衛(wèi)星各種工作模式下的姿態(tài)機(jī)動和穩(wěn)定;太陽敏感器主要用于入軌初期和在軌應(yīng)急狀態(tài)下的捕獲太陽建立對日姿態(tài),衛(wèi)星的軌道維持由20 N發(fā)動機(jī)并輔助5 N推力器控制?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖12所示。

圖11 HXMT衛(wèi)星供配電組成框圖Fig.11 HXMT satellite power supply and distribution diagram

圖12 HXMT衛(wèi)星控制系統(tǒng)組成框圖Fig.12 HXMT satellite AOCS diagram

3)信息流設(shè)計

數(shù)管分系統(tǒng)以系統(tǒng)中央單元(CTU)為核心,基于1553B串行數(shù)據(jù)總線的分級分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),完成在軌運(yùn)行調(diào)度和綜合信息處理,對星上各個任務(wù)運(yùn)行進(jìn)行高效可靠的管理和控制,監(jiān)視整星狀態(tài),協(xié)調(diào)整星的工作,對有效載荷進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)整星內(nèi)信息統(tǒng)一處理和共享的一體化電子系統(tǒng),衛(wèi)星信息流如圖13所示。完成了望遠(yuǎn)鏡健康異常自主管理、南大西洋異常(SAA)區(qū)、GPS接收機(jī)單粒子翻轉(zhuǎn)與鎖定自主監(jiān)測和恢復(fù)、數(shù)傳天線自主使用等自主管理與控制,提升了衛(wèi)星在軌智能化水平和好用易用性。

有效載荷與衛(wèi)星平臺之間通過數(shù)管1553B總線實現(xiàn)指令、遙測和數(shù)據(jù)接口,平臺直接給各有效載荷提供28 V的一次電源。有效載荷與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接口見圖14。

圖14 HXMT有效載荷數(shù)據(jù)接口原理框圖Fig.14 Schematic diagram of payload data interface

2 在軌測試驗證

根據(jù)任務(wù)規(guī)劃,在整個任務(wù)周期飛行程序中的主要事件包括:建立入軌狀態(tài)、在軌測試、巡天觀測、定點觀測、小天區(qū)觀測,根據(jù)任務(wù)需要,其間還穿插著軌道維持、姿態(tài)機(jī)動等動作。

衛(wèi)星發(fā)射以來,HXMT衛(wèi)星開展了多個天區(qū)X射線源的掃描成像觀測和對特定天體的定點觀測以及伽馬暴監(jiān)測,驗證了衛(wèi)星的各項功能和性能,取得了銀道面掃描成像觀測、黑洞及中子星雙星觀測、伽馬暴、引力波電磁對應(yīng)體探測等初步科學(xué)成果。圖15為銀道面掃描形成的天區(qū)覆蓋圖,在軌觀測2100 s可達(dá)的探測靈敏度為6 mCrab。

3 初步技術(shù)成就

作為我國首顆大型天文觀測衛(wèi)星,衛(wèi)星采用直接解調(diào)成像方法[3],解決了低成本探測器高精度成像問題,硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡探測載荷種類全,包括高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡,能區(qū)1～250 keV,基本覆蓋整個X射線譜段;探測載荷規(guī)模大,在世界現(xiàn)有X射線天文衛(wèi)星中,具有先進(jìn)的暗弱變源巡天能力、獨(dú)特的多波段快速光變觀測能力;具有全天球掃描、目標(biāo)定點凝視、小天區(qū)深度掃描和伽馬暴探測等多種探測模式,實現(xiàn)了適應(yīng)無固定對地面慣性空間定向姿態(tài)控制機(jī)動狀態(tài)下,復(fù)雜的熱控保障、對地測控與數(shù)傳保障、以及載荷長期工作下的能源保障的能力;衛(wèi)星實現(xiàn)對伽馬暴的全天監(jiān)測,成為國際上在200 ke V～3 Me V能區(qū)面積最大的伽馬暴探測器,對伽馬暴和引力波暴電磁對應(yīng)體的觀測具有重要意義。

HXMT衛(wèi)星在明確科學(xué)任務(wù)需求的基礎(chǔ)上,圍繞望遠(yuǎn)鏡載荷的需求開展衛(wèi)星任務(wù)和方案設(shè)計以及X射線望遠(yuǎn)鏡與平臺之間的匹配性研究,根據(jù)衛(wèi)星在軌測試的結(jié)果以及國外相同類型衛(wèi)星美國“羅西X射線時變探測”(RXTE)衛(wèi)星的高能X射線時變探測器(HEXTE)載荷[4-5]和印度“天文學(xué)衛(wèi)星”(ASTROSAT)的大面積氙氣正比計數(shù)器(LAXPC)[6]載荷的比較,衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過國際同類衛(wèi)星水平,如表2所示。

表2 HXMT衛(wèi)星與國際同類衛(wèi)星高能載荷性能指標(biāo)比對Table 2 Characteristics comparison between HXMT satellite and foreign satellites

通過系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計及優(yōu)化,HXMT衛(wèi)星實現(xiàn)了寬譜段、高靈敏度、高空間分辨率X射線掃描成像和定點觀測,實現(xiàn)了對銀道面、銀心和核球的22個區(qū)域進(jìn)行了掃描巡天(見圖15),對192個爆發(fā)源和變源進(jìn)行了流量演化情況監(jiān)測,利用其擴(kuò)展到200 keV～3 MeV能區(qū)的探測能力,獲得新的伽馬暴及其它暴發(fā)現(xiàn)象的能譜和時變觀測數(shù)據(jù),并成功監(jiān)測到引力波高能電磁對應(yīng)體。圖16為HXMT衛(wèi)星單獨(dú)發(fā)現(xiàn)的伽馬暴(參考時刻為2017-09-18T21:43:35編號為GRB170918A)。

圖16 HXMT衛(wèi)星單獨(dú)發(fā)現(xiàn)的GRB170918A伽馬暴Fig.16 Gammaburst(GRB170918A)found by HXMT satellite

在世界矚目的雙中子星并合引力波[8]觀測任務(wù)中,HXMT衛(wèi)星作為空間4個伽馬射線觀測設(shè)備之一,成功的對引力波GW170817事件進(jìn)行了監(jiān)測。圖17為HXMT衛(wèi)星引力波發(fā)生前后高能望遠(yuǎn)鏡探測伽馬暴的光變曲線(參考時刻2017-08-17T 12:41:06為GRB170817A觸發(fā)費(fèi)米衛(wèi)星探測器時間),盡管望遠(yuǎn)鏡沒有探測到引力波引起的伽馬暴,但對其在兆電子伏特能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制[9]。

圖17 HXMT衛(wèi)星在GW170817暴發(fā)前后的光變曲線Fig.17 Light curves of HXMT satellite around GW170817 and GRB170817A

4 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星的成功研制、發(fā)射和在軌的良好運(yùn)行,結(jié)束了我國空間X射線科學(xué)研究使用外國衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史,同時其在多波段、大面積和高靈敏度方面的綜合探測能力,給我國空間高能物理研究提供了高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù),將帶動我國空間高能物理的研究和進(jìn)步。作為我國首顆天文臺級大型天文衛(wèi)星,采用我國科學(xué)家提出的創(chuàng)新探測方法,解決了天文觀測衛(wèi)星的總體設(shè)計、望遠(yuǎn)鏡載荷的自主研制及標(biāo)定等技術(shù),為我國后續(xù)空間科學(xué)任務(wù)例如增強(qiáng)型X射線時變與偏振空間天文臺(eXTP)[10]的研制提供了重要技術(shù)支撐。

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