□ 梁亞坤 紫曉

太空中的“小精靈”
——解析首顆脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星

□ 梁亞坤 紫曉

2016年11月10日，在萬(wàn)眾矚目中，我國(guó)首顆X射線脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星開(kāi)始了太空探索之旅。作為中國(guó)航天在原始創(chuàng)新、技術(shù)革命道路上的一個(gè)重要里程碑事件，X射線脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，對(duì)于嘗試建立一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)具有重要意義。

整星三維圖

小衛(wèi)星肩負(fù)大使命

利用脈沖星引導(dǎo)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(shù)上到底可行不可行，全世界都不得而知，是世界航天技術(shù)的“無(wú)人區(qū)”。

2005年，中國(guó)空間技術(shù)研究院跟蹤國(guó)際研究動(dòng)向，敏銳洞察脈沖星導(dǎo)航這一航天“跨代”發(fā)展的顛覆性技術(shù)的大勢(shì)，自主投入率先果斷啟動(dòng)了脈沖星導(dǎo)航理論研究工作。在國(guó)外可參考研究成果極少，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究基礎(chǔ)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(dòng)了脈沖試驗(yàn)衛(wèi)星的研制工程。經(jīng)過(guò)十余年的刻苦攻關(guān)，形成了系統(tǒng)完整的脈沖星導(dǎo)航理論體系，突破了總體設(shè)計(jì)、核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、地面試驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)和專(zhuān)用試驗(yàn)衛(wèi)星的研制，把世界第一顆X射線脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星放飛到廣袤的宇宙空間。

X射線脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星是一顆只有243千克重的微小衛(wèi)星，堪稱(chēng)太空中的”小精靈”。別看它個(gè)頭小，卻攜帶了116千克的載荷，本領(lǐng)非常大。太空“小精靈”長(zhǎng)著一雙宇宙“千里眼”，科學(xué)家把其中的一只眼睛叫做準(zhǔn)直型微通道板探測(cè)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(cè)器，它的聚焦鏡頭口徑為17厘米，是國(guó)際上最先進(jìn)的軟X射線探測(cè)器，不僅可以觀看數(shù)萬(wàn)光年外的脈沖星，而且可以記錄每一個(gè)X光子的能量，繪制能量顏色圖，研究每顆脈沖星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分組成。特別是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地看同一顆脈沖星，可以獲得脈沖星的輻射特性、時(shí)變特性以及周期變化情況等等。不僅如此，它還可以通過(guò)全體掃描的方式，探測(cè)全天區(qū)的軟X射線暫現(xiàn)源和包括空間太陽(yáng)風(fēng)爆發(fā)、地球電離層等空間環(huán)境，為人類(lèi)提供更多的太空“天氣”預(yù)報(bào)，是個(gè)太空“多面手”。

科學(xué)家試圖通過(guò)它在一年的壽命周期里實(shí)現(xiàn)三個(gè)目標(biāo)。一是在空間環(huán)境下實(shí)測(cè)驗(yàn)證兩種類(lèi)型的X射線探測(cè)器性能，研究宇宙背景噪聲及探測(cè)器響應(yīng)機(jī)制；二是探測(cè)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(guó)研制的探測(cè)器“看得見(jiàn)”X射線脈沖星的問(wèn)題；三是嘗試長(zhǎng)時(shí)間累積觀測(cè)3顆低流量脈沖星，建立試驗(yàn)型數(shù)據(jù)庫(kù)，探索建立脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)體制的可行性。

如果X射線脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星首飛證明脈沖星導(dǎo)航技術(shù)是可行的，無(wú)疑將顛覆目前的衛(wèi)星導(dǎo)航體制，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的革命性變革，實(shí)現(xiàn)在世界航天技術(shù)的最高點(diǎn)上由中國(guó)“領(lǐng)跑”。

勇于創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)快好省

X射線脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，從論證到研制完成只用了3年時(shí)間，其中從衛(wèi)星任務(wù)確定開(kāi)始正樣研制到整星出廠只用了10個(gè)月，可以說(shuō)是我國(guó)研制速度最快的微小衛(wèi)星項(xiàng)目之一，創(chuàng)造了快、好、省衛(wèi)星研制的成功經(jīng)驗(yàn)。

工作體制新

脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星，搭載了準(zhǔn)直型微通道板探測(cè)器和射聚焦型探測(cè)器。這兩種X射線脈沖星探測(cè)技術(shù)都是我國(guó)首次上天投入使用，在性能上各有所長(zhǎng)，它們既可以相互配合，又可以獨(dú)立完成探測(cè)任務(wù)。微通道板探測(cè)器的有效探測(cè)面積大，所需的脈沖星觀測(cè)時(shí)間短；聚焦型探測(cè)器的探測(cè)效率高，設(shè)備規(guī)模小?？萍既藛T之所以選用兩種不同體制的探測(cè)器開(kāi)展在軌試驗(yàn)，其目的就是為了解決、驗(yàn)證X射線脈沖星在軌“看得見(jiàn)”的問(wèn)題。一方面通過(guò)多種探測(cè)技術(shù)對(duì)X射線脈沖星的在軌觀測(cè)獲取第一手的科學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航；另一方面，也為未來(lái)脈沖星探測(cè)器的技術(shù)發(fā)展方向提供實(shí)際數(shù)據(jù)支撐，為脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

復(fù)雜程度高

為了更快更多地獲得科學(xué)數(shù)據(jù)，研究人員要求太空“小精靈”能夠在一天的全部軌道圈次內(nèi)不停地工作。如果按照現(xiàn)有的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，衛(wèi)星每完成一次“凝視觀測(cè)”任務(wù)，地面都需要預(yù)先向衛(wèi)星發(fā)送大約50條指令。這些指令主要用于設(shè)置探測(cè)器狀態(tài)、設(shè)置衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備進(jìn)入觀測(cè)狀態(tài)、設(shè)定衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整計(jì)劃以及結(jié)束觀測(cè)任務(wù)后的衛(wèi)星狀態(tài)恢復(fù)等。如果要實(shí)現(xiàn)讓它每一圈都工作的目標(biāo)，則地面人員需要在衛(wèi)星整個(gè)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(wù)”。為了讓它在每一天或每一周，運(yùn)行的每一圈中都不停地工作，多做貢獻(xiàn)，需要對(duì)它進(jìn)行更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，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(shí)何地看誰(shuí)的指令，由它自行排序，自主分解成所需要的動(dòng)作，按照計(jì)劃逐一完成全部觀測(cè)工作。

功能密度強(qiáng)

為使這顆微小衛(wèi)星濃縮更多更為強(qiáng)大的功能，科技人員通過(guò)采用綜合電子組件，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星功能的高度集成。比如說(shuō)，用一臺(tái)重量?jī)H為10千克的單機(jī)，替代常規(guī)設(shè)計(jì)的6～8臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的信息管理、遙測(cè)遙控、電源管理與控制、姿態(tài)軌道運(yùn)算與控制、信息處理以及熱控管理等全部功能。通過(guò)系統(tǒng)性集成化的設(shè)計(jì)，大大提高了衛(wèi)星平臺(tái)的功能密度，在整個(gè)200多千克的衛(wèi)星平臺(tái)中，有效載荷幾乎占據(jù)了一半的重量，這在過(guò)去都是沒(méi)有的，從而，探索出一條適合于我國(guó)商業(yè)微小衛(wèi)星發(fā)展的技術(shù)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(shù)人員通過(guò)事先對(duì)系統(tǒng)電接口的充分測(cè)試后，直接投產(chǎn)正樣產(chǎn)品；用深入全面的系統(tǒng)仿真技術(shù)代替或簡(jiǎn)化整星級(jí)的各類(lèi)試驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)在確保系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目完備，確保衛(wèi)星質(zhì)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(cè)試試驗(yàn)周期，因此，僅用10個(gè)月，就完成了衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、總裝、測(cè)試與試驗(yàn)等全部工作，創(chuàng)造了我國(guó)研制速度最快微小衛(wèi)星項(xiàng)目的成功先例，這也標(biāo)志著我國(guó)的微小衛(wèi)星設(shè)計(jì)建造水平進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。

衛(wèi)星外形局部特寫(xiě)

脈沖星為航天器導(dǎo)航想象圖

試驗(yàn)驗(yàn)證難

在衛(wèi)星研制中，都要經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)驗(yàn)證，千錘百煉達(dá)到要求后才能“放行”?？墒?，脈沖星輻射的X射線光子無(wú)法穿透地球稠密大氣層，只能在大氣層外空間才能探測(cè)到，在地面上怎樣進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)兀繛榱嗽诘孛娑繙y(cè)試X射線脈沖星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)和模擬驗(yàn)證導(dǎo)航過(guò)程，技術(shù)人員大干40天，每天工作12小時(shí)以上，克服各種困難，出色完成了整個(gè)地面試驗(yàn)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(shè)計(jì)，建立X射線脈沖星導(dǎo)航地面試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)形成了航天器自主導(dǎo)航的測(cè)試環(huán)境，逼真地模擬了脈沖星X射線光子信號(hào)輻射特征以及空間背景噪聲，解決了對(duì)X射線光子探測(cè)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)更新及調(diào)用等關(guān)鍵技術(shù)的測(cè)試與航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)體制地面試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)難題，從而，還形成了國(guó)內(nèi)唯一的脈沖星導(dǎo)航探測(cè)器定點(diǎn)檢測(cè)平臺(tái)。多型探測(cè)器和試驗(yàn)設(shè)施的研制，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。這不僅對(duì)推動(dòng)脈沖星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展具有重大意義，同時(shí)，這些成果預(yù)期可以取得較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。