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揭秘:我國首顆X射線天文衛星如何煉成

揭秘:我國首顆X射線天文衛星如何煉成

硬X射線調製望遠鏡衛星。中科院高能所供圖

與以往發射的衛星不同,硬X射線調製望遠鏡衛星「慧眼」甫一亮相就得到國際廣泛的關注。這不僅因為它是第一顆X射線天文望遠鏡衛星,開闢了通過宇宙探索新窗口尋求物理科學突破的新紀元,更是因為它趕在美國NASA「超越愛因斯坦計劃」黑洞發現者之前上天,成為國際上發現黑洞的一大利器。

正如美國「超越愛因斯坦計劃」新一代黑洞發現者候選項目EXIST首席科學家所說:「硬X射線調製望遠鏡衛星,將是今後這段時期中研究黑洞動力學過程獨一無二的,是X射線天文學發展史上的一座里程碑。」

儘管,在「慧眼」之前,國際上已有7顆同類型衛星,但這並不妨礙人們對這位「太空新秀」寄予厚望。那麼這顆衛星究竟有何絕技,又是如何煉成的,青年報·中青在線記者採訪相關專家進行揭秘。

全天時觀測:睜開大眼后便不再閉上

從外形和體格來看,「慧眼」衛星並不算大,只有2.5噸,不過能量卻不小。航天科技集團五院硬X射線調製望遠鏡衛星總指揮兼總設計師潘騰說,從工程和技術指標上講,這顆衛星在同類衛星中優勢非常明顯,其功能性能非常強,可對宇宙天體高能事件實現全天時、大範圍觀測。

換句話說,「慧眼」進入太空后就會睜開明亮的大眼,無論白天還是黑夜,24小時分秒必爭,「狠狠地」盯著全宇宙,一刻也不停息地洞察著不為人知的黑洞或者是突然爆發的天文現象。

如果把「慧眼」比擬為一名戰士,那麼以它為圓心,全宇宙都將是它的戰場,在4年多的壽命中,它不停地旋轉,「大範圍觀測著宇宙,360度無死角,宇宙無疆,視野無涯,這就是它超強的本領。」潘騰說。

細究「慧眼」即硬X射線調製望遠鏡衛星的名字,其中「調製」二字讓很多人不解。硬X射線調製衛星系統載荷分系統專家、中科院高能所研究員宋黎明告訴記者,這是科學家提出的一種原創性設計理念,用簡單成熟的硬體技術便可實現高分辨和高靈敏度硬X射線成像觀測。

與歐美的編碼孔徑成像技術不同,「慧眼」採用的是直接解調方法反演成像技術。宋黎明說,與複雜、昂貴的編碼孔徑成像系統相比,直接解調方法具有簡單準確的優勢。由於更充分地利用了數據中有關測量對象和測量儀器的信息,同樣的數據經「直接解調」方法可以得到比傳統方法好得多的反演結果,解析度高,同時噪音干擾被有效抑制,背景異常乾淨,可以極大提高探測定位的精度。

他說,這些為「慧眼」探測宇宙空間各種高能事件、取得令人振奮的成果提供了保證。

數據傳輸:一場「沒有關機重啟」的直播

作為一個全天時工作的天文觀測衛星,「慧眼」的數據傳輸系統被形象地稱為「24小時無間斷」且「沒有關機重啟」的直播。

對一般衛星而言,對受到影響的衛星設備實施「關機重啟」,是「糾正錯誤」的一種被動選擇。不過,航天科技集團五院硬X射線調製望遠鏡衛星數據傳輸分系統技術負責人許興說,針對「需要數據傳輸分系統4年不間斷工作」的「慧眼」來說,關機重啟就意味著數據中斷,太空信使的任務目標就無法實現。

於是,科研人員給「慧眼」配了一名專屬的「太空信使」——數據傳輸分系統,它的主要功能是將硬X射線望遠鏡搜集到的數據,實時傳輸到數據記錄系統或通過無線方式傳輸到地面接收站。

許興說,這是一個忠誠、勤勞、專業的太空信使。硬X射線調製望遠鏡衛星將在軌服役4年。這4年裡,它將一刻無休地進行觀測,也意味著4年間衛星的數據傳輸分系統在軌不間斷工作,「這在其他衛星上從未有過」。

這要求數據傳輸分系統這個「太空信使」身體倍兒棒。許興說,科研人員要像保健醫生一樣,通過抗輻照加固、三模冗餘、定時刷新等手段提高產品「器官」自身抵抗力及自愈能力,確保這些「器官」可以抵禦各種風險正常工作。

太空中的強輻射對衛星的敏感器件來說可是「致命殺手」。研製人員在衛星容易受輻射影響的部位加厚防輻射包裹——類似孕期的准媽媽常穿著防輻射服,來保護腹中的寶寶一樣。

當然,這一層威脅還較容易得到化解,但是免於「單粒子翻轉」對衛星晶元等產品的影響要複雜和艱難得多。

所謂單粒子翻轉,是指宇宙中單個高能粒子射入半導體器件靈敏區,使器件邏輯狀態翻轉的現象。許興說,衛星和地面計算機一樣,數據均是採用二進位的「0」「1」來存儲、傳輸和讀取。單粒子不定期來襲時,數據傳輸分系統的某些器件一旦受到高能單粒子的撞擊,就會使存儲的「0」變成「1」,或者「1」變為「0」,導致數據嚴重錯誤,重者會導致傳輸中斷,更別說正確解讀、實時傳輸天文數據了。

按照他的說法,衛星上的一台台產品就好比人體的一個個器官,太空輻射、粒子則像數不勝數的致病細菌,這些細菌時刻企圖侵蝕到「器官」內部,嚴重威脅著「器官」的健康。

許興說,他所在的航天科技集團五院設計師便將重要數據分別存儲3次,也就是給1個數據做了兩個備份。如果數據被高能單粒子這個細菌篡改,系統會根據另外兩個沒有被改變的數據,進行自我修復。

「挑剔」的望遠鏡:把大象放進冰箱里需要幾步

從值守的位置來看,「慧眼」要在距離地面550千米的高度上運行,屬於低軌運行,也意味著這顆衛星要遭受來自太陽、地球和月亮三方面的影響。

「慧眼」衛星工程總師、航天科技集團五院研究員馬世俊說,「慧眼」承載了中、高、低能望遠鏡,這些靈敏的儀器設備需要在-60℃到-80℃的低溫下才能進行可靠的工作,而且必須確保望遠鏡不見太陽,「直射斜射都不行,以免輻射增溫,增加探測器的雜訊」。

馬世俊說,這麼「冷」而且「挑剔」的工作環境要求,在所有衛星研製中還是頭一遭。究竟有多難,科研人員打了一個形象的比方:把大象放進冰箱里需要幾步?

打開冰箱,塞進去,關上冰箱,這是一開始只有「高能」探測器的方案。但如今多了「中能」和「低能」的,就好比大象的不同部位,喜歡上了不同的溫度,就需要將整隻大象同時放進一個三開門的冰箱里。

想要讓「大象心情愉悅」,航天科技集團五院專家告訴記者,科研人員不但運用了多級隔熱措施保護控制漏熱、國內技術數一數二的深冷熱管技術、梯度溫度加熱實現防污染控制等聽上去酷炫的「黑科技」,還很溫馨地給衛星戴上了一頂「太陽帽」——遮陽板。

「有了這個遮陽板,陽光永遠只能從遮陽板這一面過來」。可以想象,當衛星運行到太陽和地球之間時,它的視場會受到較大限制。此外,這位專家還告訴記者,科研團隊還採取主動和被動控溫相結合的方法,採取多極隔熱、深冷熱管技術以及優化觀測狀態等手段,多管齊下,儘可能滿足衛星中「乘客」即有效載荷的苛刻需求。

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