俄德合作空間天文望遠(yuǎn)鏡飛向日-地L2軌道

文/張雪松

▲光譜-RG發(fā)射升空

▲質(zhì)子Block DM發(fā)射光譜-RG望遠(yuǎn)鏡

7月13日晚8時30分，俄羅斯和德國聯(lián)合研制的光譜-RG（SPEKTRRG）望遠(yuǎn)鏡由質(zhì)子-M型火箭發(fā)射升空。質(zhì)子-M火箭使用了Block DM常溫上面級把光譜-RG望遠(yuǎn)鏡送往日-地L2軌道，Block DM上面級兩次成功點火后，光譜-RG望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)進(jìn)入前往L2軌道的旅程。需花費3個多月的時間，它才能在L2點進(jìn)行X射線天文觀測。

望遠(yuǎn)鏡好事多磨推遲多

光譜-RG望遠(yuǎn)鏡發(fā)射質(zhì)量約2.7噸，其中科學(xué)載荷質(zhì)量高達(dá)1.2噸，包括德國馬克斯·普朗克地外物理學(xué)研究所提供的沃爾特型望遠(yuǎn)鏡“成像望遠(yuǎn)鏡陣列擴(kuò)展倫琴巡天”（eRosita），另外它還攜帶了俄羅斯空間研究所/全俄實驗物理研究所提供的編碼掩膜成像望遠(yuǎn)鏡”天文倫琴望遠(yuǎn)鏡-X射線集光器（ART-XS）。光譜-RG空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計工作壽命為6年半，使用X波段下行傳輸觀測數(shù)據(jù)，傳輸速率可達(dá)每秒512千比特。它的太陽翼可以提供約1.8千瓦的電力，而載荷電力消耗不超過590瓦，供電能力綽綽有余。

光譜-RG望遠(yuǎn)鏡是俄羅斯和德國國際合作的產(chǎn)物，雖然望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射以及平臺制造都由俄羅斯負(fù)責(zé)，但這部望遠(yuǎn)鏡最關(guān)鍵的核心載荷eRosita卻是由德國提供的，天文學(xué)界很多人干脆用eRosita這個載荷稱呼這部望遠(yuǎn)鏡。目前在日本的瞳（Hitomi）X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后因故障解體，在美國的斯皮策紅外望遠(yuǎn)鏡退役而哈勃空間望遠(yuǎn)鏡退役在即，下一代韋伯空間望遠(yuǎn)鏡始終無法上天的時候，光譜-RGX射線望遠(yuǎn)鏡的成功發(fā)射算是難得的好消息。它是俄羅斯在蘇聯(lián)解體以后最具雄心的空間科學(xué)項目。

光譜-RG望遠(yuǎn)鏡的主要目標(biāo)是觀測宇宙中的遙遠(yuǎn)天體的X射線圖像。早在遙遠(yuǎn)的1987年12月31日，蘇聯(lián)科學(xué)院就啟動了光譜-RG項目，當(dāng)然X射線觀測載荷也是由本國負(fù)責(zé)。原計劃這部空間天文望遠(yuǎn)鏡1993年發(fā)射，但蘇聯(lián)末期和俄羅斯初期國家經(jīng)濟(jì)和財政的崩潰，讓這樣的設(shè)想成為泡影。俄羅斯把所有的空間科學(xué)預(yù)算都轉(zhuǎn)移到久拖不決的火星-94計劃，也就是后來發(fā)射失敗的火星-96計劃。火星-96發(fā)射失敗，給了俄羅斯航天沉重一擊，但隨后俄羅斯人把光譜系列空間天文望遠(yuǎn)鏡列為優(yōu)先發(fā)展的項目，而光譜-RG是其中的最優(yōu)先目標(biāo)。即使有了這些有利因素，20世紀(jì)90年代的光譜-RG望遠(yuǎn)鏡仍然缺乏預(yù)算，它最初的科學(xué)目標(biāo)又已經(jīng)被歐洲填補(bǔ)，整個項目無疾而終。不過俄羅斯科學(xué)院始終將光譜-RG項目的名稱保留下來。隨著俄羅斯財政的改善，光譜-RG望遠(yuǎn)鏡在2004年得以重生，成為一個更小也更廉價的項目。2009年俄羅斯和德國達(dá)成協(xié)議，“光譜-RG”將攜帶來自德國的新一代X射線觀測載荷，在X射線和伽馬射線范圍進(jìn)行觀測，研究中子星、超新星、黑洞和星系核。光譜-RG望遠(yuǎn)鏡的工作軌道還從地球大橢圓軌道改為更有利于天文觀測的日地L2軌道。經(jīng)歷了30多年的坎坷歷程，它將是俄羅斯天體物理學(xué)家三十年來X射線天文觀測的高峰。

▲光譜-RG示意圖

光譜-RG望遠(yuǎn)鏡堪稱好事多磨的典型。這不僅體現(xiàn)在它從1987年開始的生生死死上，即使俄羅斯和德國開展國際合作后，仍然出現(xiàn)了連續(xù)的推遲。光譜-RG望遠(yuǎn)鏡由俄羅斯的拉沃契金設(shè)計局負(fù)責(zé)研制，“拉沃契金”在蘇聯(lián)時代就是行星際探測器等空間探測項目的主力，eRosita早在2014年9月就在拉沃契金設(shè)計局通過了地面測試，2015年6月進(jìn)行最后的整合測試。光譜-RG望遠(yuǎn)鏡發(fā)射時間初步定在2016年3月26日，然而2014年爆發(fā)了俄羅斯和烏克蘭的沖突，而光譜-RG望遠(yuǎn)鏡原定使用烏克蘭南方局的天頂-SB火箭，發(fā)射因此被迫推遲。美國以烏克蘭危機(jī)為理由對俄羅斯實施禁運封鎖，導(dǎo)致德國不得不改進(jìn)eRosita載荷，規(guī)避敏感航天元器件的禁運。這就直接導(dǎo)致2016年4月eRosita才完成制造，俄羅斯也需要把X波段測控系統(tǒng)的西方電子元件更換為俄制電子元件。這些因素綜合起來，發(fā)射時間一推再推從2016年一路推遲到2019年，最后發(fā)射載具也換成了俄羅斯的質(zhì)子-M型火箭。

▲發(fā)射光譜-RG的質(zhì)子火箭運往發(fā)射場

▲“光譜-RG”和火箭上面級組合

▲“光譜-RG”和上面級-Block DM

▲“光譜-RG”天文望遠(yuǎn)鏡

▲“光譜-RG”進(jìn)整流罩

老驥伏櫪的質(zhì)子火箭

光譜-RG望遠(yuǎn)鏡使用俄羅斯赫魯尼切夫設(shè)計局的質(zhì)子-M運載火箭發(fā)射。這種大型火箭歷史悠久，直到現(xiàn)在還是俄羅斯航天發(fā)射的主力軍，可謂老當(dāng)益壯。

最早的質(zhì)子號火箭是一種二級液體火箭，近地軌道運載能力僅有10噸出頭，不過OKB-52設(shè)計局的切洛梅早有研制三級火箭的計劃，同時還有選配第四級的方案。1967年3月10日發(fā)射升空的那枚質(zhì)子火箭就是典型。它是第一枚帶有第三級的質(zhì)子火箭，但同時也裝有Block D上面級作為第四級，純?nèi)墭?gòu)型的質(zhì)子-K火箭反而要等到1968年11月才首次發(fā)射升空。質(zhì)子-K三級火箭改進(jìn)后，火箭近地軌道運載能力提高到約21噸，是蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射大質(zhì)量航天器的首選，著名的禮炮系列空間站、和平號空間站以及國際空間站的曙光號和星辰號艙段都是由它發(fā)射升空的。

▲質(zhì)子-M火箭

質(zhì)子-M火箭是更先進(jìn)的改進(jìn)型火箭。該火箭改進(jìn)了前三級的箭體結(jié)構(gòu)，減輕了火箭的結(jié)構(gòu)重量并對設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)代化改進(jìn)，另外它還可以選用更先進(jìn)的微風(fēng)-M上面級，構(gòu)成質(zhì)子-M/微風(fēng)-M四級火箭，這種四級火箭是俄羅斯進(jìn)入21世紀(jì)后競爭國際商業(yè)發(fā)射市場的主力軍。

▲微風(fēng)-M上面級

微風(fēng)-M上面級性能更好但價格也更貴，俄羅斯人為了省錢仍然選擇Block DM上面級發(fā)射光譜-RG望遠(yuǎn)鏡。由于2011年制造的這個Block DM-03上面級已經(jīng)過了保質(zhì)期，赫魯尼切夫設(shè)計局在2018年特意申請經(jīng)費進(jìn)行翻新保養(yǎng)，好在Block DM也不負(fù)眾望，2019年7月13日發(fā)射后連續(xù)兩次點火，將光譜-RG望遠(yuǎn)鏡順利送入飛向L2的轉(zhuǎn)移軌道。再經(jīng)過約3個月的飛行，光譜-RG就能飛到日地L2軌道開展定位測試和觀測了。光譜-RG天文望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行為期6年半的天體物理研究，前4年將對整個天空進(jìn)行掃描成像，剩下的時間，將根據(jù)全球科學(xué)界的要求對天體進(jìn)行具體觀察。有科學(xué)家預(yù)計，該望遠(yuǎn)鏡或?qū)⒃谟钪嬷邪l(fā)現(xiàn)約300萬個黑洞。