硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星總體方案及技術(shù)特點(diǎn)

張龍 倪潤(rùn)立 顧荃瑩 黃美麗 趙峭 宋江波 王瑤

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

受到地球大氣的吸收,宇宙X射線很難被地面探測(cè),而天體的X射線輻射是研究宇宙結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律的重要載體,并促使空間X射線天文學(xué)成為空間天文學(xué)發(fā)展最快的分支之一[1]。硬X射線天文觀測(cè)相比其它能區(qū)天文觀測(cè)的明顯不足,2012年發(fā)射的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列衛(wèi)星(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,NuSTAR)只能將高能區(qū)拓展到79 ke V[2],而且面積不大,在天體硬X射線時(shí)變探測(cè)方面能力受到限制。

HXMT衛(wèi)星裝有既能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)快速成像,又可以對(duì)特殊天體進(jìn)行高統(tǒng)計(jì)量高精度觀測(cè)的硬X射線望遠(yuǎn)鏡,可以為我們提供研究極端物理?xiàng)l件下的物理規(guī)律提供重要的新手段。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星需要長(zhǎng)期對(duì)宇宙X射線進(jìn)行觀測(cè),這就導(dǎo)致衛(wèi)星沒(méi)有固定的對(duì)地面,對(duì)地球、太陽(yáng)等的相對(duì)姿態(tài)變化大,帶來(lái)衛(wèi)星能源、測(cè)控、數(shù)傳、熱控等方面的設(shè)計(jì)困難,因此需要衛(wèi)星方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),降低各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束和難度。衛(wèi)星裝載我國(guó)自主研制的空間X射線望遠(yuǎn)鏡載荷,解決了空間硬X射線成像探測(cè)難題,實(shí)現(xiàn)了寬譜段、大有效面積和高時(shí)間分辨率的空間X射線探測(cè)和國(guó)際領(lǐng)先的200 keV～3 MeV能區(qū)伽馬暴監(jiān)測(cè)。通過(guò)衛(wèi)星在軌測(cè)試以及正式使用,衛(wèi)星各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足任務(wù)需求要求,同時(shí)因其具有在寬能區(qū)X射線探測(cè)能力,而成為我國(guó)乃至國(guó)際上重要的X射線空間天文設(shè)備。

本文根據(jù)HXMT衛(wèi)星的需求特點(diǎn),概述了解決上述問(wèn)題的解決思路和衛(wèi)星配置,重點(diǎn)針對(duì)硬X射線成像觀測(cè)、慣性空間下的觀測(cè)模式設(shè)計(jì)、測(cè)控?cái)?shù)傳天線解決方案等衛(wèi)星特點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題解決方案進(jìn)行了論述,通過(guò)衛(wèi)星在軌測(cè)試表明,衛(wèi)星各項(xiàng)指標(biāo)滿足任務(wù)要求。

1 衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方案概述

HXMT衛(wèi)星基于任務(wù)特點(diǎn),充分借鑒了中國(guó)空間技術(shù)研究院的成熟衛(wèi)星技術(shù),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)和創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)期慣性空間定向觀測(cè)衛(wèi)星的總體方案設(shè)計(jì)。衛(wèi)星采用分艙設(shè)計(jì),承力結(jié)構(gòu)采用中心承力筒加蜂窩夾層板結(jié)構(gòu),外形呈立方體構(gòu)型,分為服務(wù)艙和載荷艙、太陽(yáng)翼、對(duì)接段和星箭連接分離裝置等部分。衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)如圖1所示,在軌飛行狀態(tài)見(jiàn)圖2。為了提高衛(wèi)星探測(cè)靈敏度和有效觀測(cè)時(shí)間,降低空間環(huán)境對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生的本底,同時(shí)考慮測(cè)控、數(shù)傳以及燃料消耗等約束,衛(wèi)星選擇了傾角43°,軌道高度550 km的圓軌道,可有效避開(kāi)范艾倫帶及空間環(huán)境的影響。圖3所示為不同軌道傾角下電子和質(zhì)子對(duì)有效觀測(cè)時(shí)間影響。整星能源采用太陽(yáng)翼加蓄電池聯(lián)合供電體制,為整星提供28 V供電,二次電源采用集中管理和分散管理相結(jié)合的配電體制,由主配電器完成整星一次電源分配;直流/直流變換器提供二次電源?？刂葡到y(tǒng)采用三軸穩(wěn)定控制及單組元推進(jìn)系統(tǒng),配置6臺(tái)25 N·m·s的動(dòng)量輪以及3個(gè)200 A·m2的磁力矩器,實(shí)現(xiàn)大角度、可變速率姿態(tài)機(jī)動(dòng)。為了解決全空間無(wú)固定對(duì)地面觀測(cè)任務(wù)的測(cè)控問(wèn)題,采用兩臺(tái)USB應(yīng)答機(jī),4副天線兩兩組陣實(shí)現(xiàn)全空間測(cè)控,使用雙GPS天線合路方式,保證衛(wèi)星任意姿態(tài)下的定位和校時(shí),絕對(duì)時(shí)間精度優(yōu)于10μs。通過(guò)整星觀測(cè)模式設(shè)計(jì)以及遮陽(yáng)板的使用,保障了望遠(yuǎn)鏡載荷熱環(huán)境,采用多級(jí)隔熱、重點(diǎn)設(shè)備主動(dòng)加熱、載荷與熱控一體化設(shè)計(jì)以及深冷熱管的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高能望遠(yuǎn)鏡的高精度控溫(18℃±2℃),中能望遠(yuǎn)鏡(－50～－10℃)和低能望遠(yuǎn)鏡(－80～－42℃)的低溫控制。

圖1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite launch status

圖2 衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic daigram of satellite on orbit flight condition

圖3 550 km高度不同傾角質(zhì)子和電子導(dǎo)致無(wú)效觀測(cè)時(shí)間占比Fig.3 Influence of proton and electron at different altitude angles of 550km altitude

根據(jù)科學(xué)目標(biāo)任務(wù)[3],衛(wèi)星有效載荷配置18個(gè)主探測(cè)器、3個(gè)中能探測(cè)器、3個(gè)低能探測(cè)器以及1個(gè)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器等4類(lèi)載荷,實(shí)現(xiàn)觀測(cè)能區(qū)覆蓋1～250 ke V,角分辨率優(yōu)于5′,探測(cè)靈敏度優(yōu)于0.5 mCrab(105s),定位精度優(yōu)于1′,能量分辨率優(yōu)于19%(在60 keV時(shí))的空間X射線觀測(cè)以及衛(wèi)星所處空間環(huán)境的測(cè)量。利用寬波束角數(shù)傳天線設(shè)計(jì)、變速率數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)60 Mbit/s或120 Mbit/s數(shù)傳傳輸速率的任意對(duì)地姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸,結(jié)合衛(wèi)星配置2×512 Gbyte大容量固態(tài)存儲(chǔ)器以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下傳策略設(shè)計(jì)滿足載荷在軌數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下傳的不同要求。

1.2 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌后,在測(cè)控系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下,通過(guò)對(duì)1～250 ke V能區(qū)的X射線以及200 keV～3 MeV伽馬暴的天文觀測(cè)可以完成對(duì)眾多天體目標(biāo)及其天體現(xiàn)象深入全面的科學(xué)研究。衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The key technical parameters of HXMT satellite

2 衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

2.1 大視場(chǎng)、準(zhǔn)直型X射線成像技術(shù)

相比低能區(qū),高能區(qū)X射線成像困難得多。20世紀(jì)90年代歐洲和美國(guó)先后開(kāi)始研制編碼孔徑成像的硬X射線衛(wèi)星,如“國(guó)際伽馬射天文實(shí)驗(yàn)室”(INTEGRAL)、伽馬暴快速反應(yīng)探測(cè)器(Swift)等[4-5]。我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)90年代初提出直接解調(diào)方法[6],用簡(jiǎn)單成熟的準(zhǔn)直型無(wú)成像功能硬件技術(shù)組合可以實(shí)現(xiàn)高分辨和高靈敏度成像觀測(cè)。與復(fù)雜和昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比,HXMT衛(wèi)星采用此方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)直型探測(cè)器,并結(jié)合衛(wèi)星的掃描模式獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)直接解調(diào)成像,角分辨率優(yōu)于1.41′,對(duì)X射線源的定位精度優(yōu)于44″,遠(yuǎn)好于Swift衛(wèi)星暴發(fā)警示望遠(yuǎn)鏡(Burst Alert Telescope,BAT)的17′角分辨率[7]。

2.2 X射線源高精度定位技術(shù)

HXMT衛(wèi)星重要任務(wù)之一是監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)X射線源,需要對(duì)X射線源進(jìn)行高精度定位,并引導(dǎo)地面和空間觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。為此,衛(wèi)星總體從系統(tǒng)頂層對(duì)影響定位精度的因素進(jìn)行分析,針對(duì)X射線成像觀測(cè)特點(diǎn),對(duì)各環(huán)節(jié)如望遠(yuǎn)鏡成像精度、衛(wèi)星指向精度、時(shí)間同步精度等進(jìn)行分解,并重點(diǎn)對(duì)影響定位精度的星敏支架、望遠(yuǎn)鏡主結(jié)構(gòu)、望遠(yuǎn)鏡的成像影響因素等進(jìn)行了機(jī)、熱一體化的分析和仿真,結(jié)果表明衛(wèi)星對(duì)X射線源的定位精度優(yōu)于51″,在軌評(píng)估定位精度44″,滿足任務(wù)1′的指標(biāo)要求。在工程研制過(guò)程中,利用整星驗(yàn)證試驗(yàn)開(kāi)展衛(wèi)星熱變形測(cè)量,驗(yàn)證了X射線源定位設(shè)計(jì)的正確性。

2.3 慣性空間定向下的多工作模式設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星的多科學(xué)目標(biāo)要求衛(wèi)星具有多種觀測(cè)模式,各種觀測(cè)模式間需要設(shè)計(jì)相互切換,同時(shí)還需要兼顧整星的能源、熱控等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。據(jù)此,衛(wèi)星設(shè)計(jì)了巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)觀測(cè)等觀測(cè)模式,分別滿足全天球巡天監(jiān)視成像、對(duì)X射線源長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)、對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)和成像、對(duì)銀道面多次覆蓋掃描觀測(cè)以及對(duì)伽馬暴的監(jiān)測(cè)等任務(wù),同時(shí)根據(jù)載荷和平臺(tái)的維護(hù)需求,設(shè)計(jì)了載荷定標(biāo)觀測(cè)模式和軌道控制工作模式,適應(yīng)望遠(yuǎn)鏡載荷在軌標(biāo)定的特殊需求和衛(wèi)星軌道控制時(shí)載荷和衛(wèi)星平臺(tái)的約束要求。圖4所示為對(duì)日定向巡天觀測(cè)等效示意圖,通過(guò)衛(wèi)星對(duì)日慢旋轉(zhuǎn)以及太陽(yáng)的周年運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)全天球的巡天,同時(shí)保證了衛(wèi)星的能源、熱控、數(shù)傳的設(shè)計(jì)。為了保證衛(wèi)星多工作模式下的好用易用性,對(duì)各種工作模式及其切換進(jìn)行參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì),用戶只需對(duì)觀測(cè)模式、觀測(cè)參數(shù)以及模式切換方式進(jìn)行選擇和設(shè)置即可完成觀測(cè)任務(wù)設(shè)定。

圖4 對(duì)日定向巡天觀測(cè)等效示意圖Fig.4 Sketch diagram of sky survey mode

2.4 無(wú)固定對(duì)地面的對(duì)地測(cè)控?cái)?shù)傳天線設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星主要采用慣性空間定向姿態(tài),且空間指向范圍覆蓋全天球任意方向。星體可能以任意指向?qū)Φ?因此為保證對(duì)地的測(cè)控和數(shù)傳以及對(duì)天的GPS的指向要求,衛(wèi)星采用了全向測(cè)控、數(shù)傳天線設(shè)計(jì)。為此測(cè)控任務(wù)采用4副天線,兩兩組陣,可實(shí)現(xiàn)上行鏈路的全空間覆蓋。GPS采用兩個(gè)天線組陣的形式實(shí)現(xiàn)近全空間覆蓋,以確保在任意姿態(tài)都能夠捕獲到足夠多顆GPS衛(wèi)星,確保定位。

為了保證可數(shù)傳時(shí)間以及鏈路質(zhì)量,HXMT衛(wèi)星上設(shè)計(jì)了兩副寬波束均勻增益數(shù)傳天線,兩副天線可實(shí)現(xiàn)全空間分時(shí)覆蓋。在軌期間根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)地條件好的天線作為當(dāng)班天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)以上設(shè)計(jì),保證了衛(wèi)星不間斷科學(xué)觀測(cè)任務(wù)的測(cè)控、數(shù)傳任務(wù)以及高精度時(shí)間需求。

2.5 同結(jié)構(gòu)大溫差載荷溫度控制設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星主載荷為高能望遠(yuǎn)鏡(18℃±2℃)、中能望遠(yuǎn)鏡(－50～－10℃)、低能望遠(yuǎn)鏡(－80～－42℃),3種載荷安裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)面上,為了在一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)上滿足溫差達(dá)60℃的溫度指標(biāo)要求,衛(wèi)星開(kāi)展如下工作:

(1)通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)模式設(shè)計(jì)以及遮陽(yáng)板設(shè)計(jì),保證有效載荷具有相對(duì)穩(wěn)定的外熱流環(huán)境和固定散熱面空間。

(2)對(duì)高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡采用一體化的多級(jí)隔熱措施,在望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)之初將熱設(shè)計(jì)作為重要設(shè)計(jì)約束條件考慮,保證熱設(shè)計(jì)的針對(duì)性和有效性,降低了不同望遠(yuǎn)鏡之間的熱耦合效應(yīng)。

(3)增加望遠(yuǎn)鏡整體及單體望遠(yuǎn)鏡的散熱面積,充分利用望遠(yuǎn)鏡自身結(jié)構(gòu)和探測(cè)器安裝特點(diǎn),將望遠(yuǎn)鏡的散熱面積最大化,同時(shí)利用合理熱管布局,特別是深冷熱管的應(yīng)用,保障了中能和低能望遠(yuǎn)鏡的低溫需求和溫度均勻性需求。

2.6 適應(yīng)載荷長(zhǎng)期工作的自主安全設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡載荷長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)、時(shí)間精度要求高、觀測(cè)模式多、自主控制復(fù)雜且衛(wèi)星具有長(zhǎng)期不過(guò)境(12 h)等特點(diǎn),衛(wèi)星設(shè)計(jì)了多種自主安全管理措施。針對(duì)載荷長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)下的數(shù)傳和存儲(chǔ)空間環(huán)境適應(yīng)性開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì),核心控制和參數(shù)存儲(chǔ)采取了全三模設(shè)計(jì),并開(kāi)展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)時(shí)間精度要求高,對(duì)GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)了自主加斷電設(shè)計(jì);針對(duì)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)南大西洋異常(SAA)區(qū)設(shè)計(jì)了SAA區(qū)載荷自主保護(hù)設(shè)計(jì);針對(duì)星上自主執(zhí)行觀測(cè)規(guī)劃,對(duì)輸入目標(biāo)合理性要求高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了觀測(cè)目標(biāo)智能判斷以及載荷溫度異常升高自主處理功能,通過(guò)以上自主安全功能的設(shè)計(jì),既可以保障望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)期在軌穩(wěn)定不間斷觀測(cè),同時(shí)可對(duì)衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間不在測(cè)控區(qū)的故障進(jìn)行自主處理,保證衛(wèi)星的安全。衛(wèi)星在軌1年多的時(shí)間里,尚未發(fā)生異常觸發(fā)自主安全設(shè)計(jì)功能的事件。

2.7 多頻段、大視場(chǎng)、高靈敏望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡載荷是我國(guó)首臺(tái)大型空間X射線探測(cè)設(shè)備,其具備寬譜段能力,低能望遠(yuǎn)鏡覆蓋1～15 ke V,中能望遠(yuǎn)鏡覆蓋5～30 ke V,高能望遠(yuǎn)鏡覆蓋20～250 ke V,同時(shí)具有軟伽馬射線探測(cè)能力200 ke V～3 Me V;望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)分別為5.7°×5.7°、4°×4°和4°×6°,在保證大視場(chǎng)的同時(shí)望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)靈敏度達(dá)到0.5 m Crab(105s)。三種望遠(yuǎn)鏡均采用準(zhǔn)直器作為光子收集前端,中能和低能望遠(yuǎn)鏡采用硅探測(cè)器,高能望遠(yuǎn)鏡采用復(fù)合晶體探測(cè)器。在研制過(guò)程中攻克了高能望遠(yuǎn)鏡大信號(hào)問(wèn)題、晶體封裝,中能望遠(yuǎn)鏡大面積Si-PIN探測(cè)器技術(shù),低能望遠(yuǎn)鏡熱控技術(shù)及遮光膜技術(shù)等難點(diǎn)。

3 在軌使用效能

HXMT衛(wèi)星于2017年6月15日發(fā)射入軌,至2017年11月,先后完成了衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試、有效載荷初始工作狀態(tài)設(shè)置、有效載荷功能性能測(cè)試以及工作參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化、地面應(yīng)用系統(tǒng)天地一體化測(cè)試、在軌標(biāo)定和衛(wèi)星初步應(yīng)用等測(cè)試工作。在軌測(cè)試結(jié)果表明,衛(wèi)星各項(xiàng)功能、性能滿足衛(wèi)星工程研制總要求,有效載荷工作原理和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)得到驗(yàn)證,取得了初步科學(xué)成果,表明衛(wèi)星工程系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)預(yù)期科學(xué)目標(biāo)的能力。

目前衛(wèi)星已在軌運(yùn)行1周年,完成了對(duì)核心科學(xué)目標(biāo)源的觀測(cè),包括:全銀道面、脈沖星、超新星遺跡、黑洞雙星、中子星雙星、銀河系外天體源和空天區(qū)。目前,HXMT衛(wèi)星已對(duì)45個(gè)核心目標(biāo)天體進(jìn)行了多輪次定點(diǎn)觀測(cè);對(duì)銀道面全部22個(gè)區(qū)域進(jìn)行了508次小天區(qū)掃描觀測(cè)[8];對(duì)蟹狀星云天區(qū)進(jìn)行了9次小天區(qū)掃描觀測(cè);同時(shí)測(cè)試了巡天掃描模式。獲得了引力波電磁對(duì)應(yīng)體監(jiān)測(cè)、伽馬暴的發(fā)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)初步科學(xué)成果[1]。

4 結(jié)束語(yǔ)

HXMT衛(wèi)星作為我國(guó)首顆X射線天文觀測(cè)衛(wèi)星,突破了準(zhǔn)直型X射線載荷成像技術(shù)、全空間觀測(cè)下的多觀測(cè)模式設(shè)計(jì)及全空間測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了具有多波段、大視場(chǎng)、高靈敏度觀測(cè)特點(diǎn)的X射線觀測(cè)衛(wèi)星在軌實(shí)施,結(jié)束了我國(guó)空間X射線天文研究只能使用國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史,推動(dòng)了我國(guó)空間高能物理的研究。

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