本刊特約記者 龐丹 潘晨 紫曉

透視宇宙的中國智造—訪“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡總指揮兼總設(shè)計(jì)師潘騰

本刊特約記者 龐丹 潘晨 紫曉

China' s Perspective of Universe: an Interview with Pan Teng, Chief Commander and Chief Designer of HXMT Satellite

2017年6月15日，我國“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）衛(wèi)星在眾所期盼中奔向太空。這一舉世矚目、自主創(chuàng)新的重大科學(xué)工程的實(shí)施，不僅填補(bǔ)了我國空間X射線空間望遠(yuǎn)鏡研制的空白，為中國航天的技術(shù)進(jìn)步畫上了濃墨重彩的一筆，并且使我國首次具有自主獲取高能天體原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)了在高能天體物理領(lǐng)域由地面觀測(cè)到天地聯(lián)合觀測(cè)的跨越式發(fā)展，樹立了工程與科學(xué)、技術(shù)與科學(xué)緊密結(jié)合，推動(dòng)科技進(jìn)步的典范。該空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射成功后，“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡總指揮兼總設(shè)計(jì)師潘騰接受了本刊記者的專訪。

記者：祝賀您繼主持研制對(duì)地觀測(cè)亞米級(jí)分辨率遙感衛(wèi)星高分－2之后，又填補(bǔ)了我國空間望遠(yuǎn)鏡研制的一項(xiàng)空白。請(qǐng)您介紹一下該空間望遠(yuǎn)鏡的功能。

潘騰：我們知道，空間傳播的電磁波，如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等，按照波長(zhǎng)或頻率、能量的順序排列起來，就是電磁波譜，X射線是電磁輻射波譜中的一段。人們?nèi)粘Ｉ钪兴熘木哂型敢暷芰Φ腦光，僅僅是整個(gè)X射線譜中的一部分?？茖W(xué)界通常把宇宙中的X射線分為兩種，能量較高、波長(zhǎng)在0.01～0.1nm之間的X射線稱為硬X射線；波長(zhǎng)在0.1nm以上的則稱為軟X射線。硬X射線來自最靠近黑洞視界的區(qū)域，是探測(cè)黑洞和研究黑洞附近物理過程的一個(gè)關(guān)鍵窗口，“慧眼”主要對(duì)這一波段進(jìn)行探測(cè)。20世紀(jì)90年代初，中國科學(xué)院高能物理研究所李惕碚院士等提出用調(diào)制解調(diào)成像的方法，依靠簡(jiǎn)單成熟的硬件技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬X射線進(jìn)行高分辨和高靈敏度觀測(cè)?！盎垩邸睉?yīng)用我國科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的這一方法，可以實(shí)現(xiàn)寬波段、高靈敏度、高空間分辨率X射線巡天和定點(diǎn)觀測(cè)，從而探索宇宙空間X射線源；通過對(duì)銀道面大天區(qū)掃描巡天和監(jiān)測(cè)，來發(fā)現(xiàn)新的高能爆發(fā)源和已知高能天體的新活動(dòng)，同時(shí)還能對(duì)黑洞、中子星等天體的高能輻射進(jìn)行高質(zhì)量寬波段觀測(cè)；通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析解譯，來探索黑洞和中子星系統(tǒng)的活動(dòng)和演化機(jī)制、基本性質(zhì)，有可能催生出高能天體觀測(cè)突破性成果。因此，該空間望遠(yuǎn)鏡的投入應(yīng)用將使我國天體物理研究跨上一個(gè)新的臺(tái)階。

記者：作為我國第一個(gè)大型X射線空間望遠(yuǎn)鏡，其工程實(shí)施有什么科學(xué)意義？

潘騰：該空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射和應(yīng)用意義重大。從宏觀科學(xué)上來說，用調(diào)制解調(diào)方法對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的宇宙空間X射線源及其分布等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，對(duì)解析空間存在的諸如超新星爆發(fā)、脈沖星推動(dòng)等宇宙幾大科學(xué)現(xiàn)象以及演化的規(guī)律，豐富對(duì)這一空間科學(xué)領(lǐng)域未知現(xiàn)象的了解具有重要意義。迄今為止，國際上已經(jīng)發(fā)射30多個(gè)X射線空間望遠(yuǎn)鏡，獲得了大量的科學(xué)觀測(cè)成果?！盎垩邸钡陌l(fā)射和投入應(yīng)用，其探測(cè)成果可以在國際上已取得大量成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步豐富人類X射線天文觀測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將進(jìn)一步加深人類對(duì)宇宙空間的認(rèn)識(shí)，科學(xué)意義十分突出和明顯。從基礎(chǔ)研究上來說，我們知道進(jìn)行空間天文觀測(cè)的方式有兩種，一種是在地面觀測(cè)，另一種是在空間觀測(cè)。在地面上觀測(cè)由于大氣的擾動(dòng)會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡的分辨率，大氣層會(huì)阻擋天體發(fā)出的很多輻射，被臭氧層吸收的紫外線就無法觀測(cè)到，X射線也很難穿透整個(gè)大氣層到達(dá)地表。而發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡，把望遠(yuǎn)鏡帶到空間進(jìn)行觀測(cè)是最為高效的方式，所取得的數(shù)據(jù)有助于推動(dòng)宇宙空間科學(xué)研究的深入。在人類發(fā)射的X射線空間望遠(yuǎn)鏡中，仍在軌工作的、最為著名的要數(shù)美國“錢德拉X射線天文臺(tái)”，該衛(wèi)星目前在軌工作已達(dá)16個(gè)年頭，取得了極其豐富的成果，改變了人類對(duì)宇宙的理解。我國發(fā)射和應(yīng)用的“慧眼”是目前少數(shù)在軌運(yùn)行的、非常重要的一顆，將成為2017－2021年國際空間X射線觀測(cè)主打數(shù)據(jù)源，對(duì)于推動(dòng)世界空間基礎(chǔ)理論研究意義重大。值得指出的是，該衛(wèi)星取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)可為我國科學(xué)家首次贏得優(yōu)先使用的權(quán)利，同時(shí)，按照國際慣例，在我國科學(xué)家專項(xiàng)應(yīng)用一年之后，將面向全世界，這將推動(dòng)該領(lǐng)域國際合作的深入，促進(jìn)世界空間科學(xué)研究的深入，同時(shí)也可以增加這顆衛(wèi)星的科學(xué)產(chǎn)出，提升我國在空間科學(xué)研究的國際影響力和地位。X射線是空間電子輻射波譜中比較復(fù)雜的一種譜段，很多天體現(xiàn)象的形成都與該譜段有關(guān)。我國“慧眼”攜帶的探測(cè)器能譜范圍非常寬，可以進(jìn)行全譜段觀測(cè)，除了可探測(cè)空間X射線外，還可拓展進(jìn)行γ暴等探測(cè)。特別是不僅可將宇宙事件從發(fā)生、發(fā)展到結(jié)束全過程的壯麗景象盡收眼底，還可看到這些景象出現(xiàn)時(shí)的時(shí)變過程，這對(duì)于推動(dòng)突發(fā)天體現(xiàn)象的深入研究具有重大的意義。

從探測(cè)方法來講，我國科學(xué)家創(chuàng)新提出了調(diào)制解調(diào)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯，該方法由于更充分地利用了數(shù)據(jù)中有關(guān)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量?jī)x器的信息，所以同樣的數(shù)據(jù)經(jīng)直接解調(diào)可以得到比傳統(tǒng)方法好得多的反演結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高分辨率的成像。與復(fù)雜和昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比，分辨率高，同時(shí)噪音干擾能被有效抑制，背景異常干凈。這種方法具有簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，可以極大提高探測(cè)定位的精度，其定位精度可以接近可見光探測(cè)精度，從而為“慧眼”探測(cè)宇宙空間各種高能事件，取得令人振奮的成果提供保證。

總之，我國首個(gè)X射線空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目是我國自主創(chuàng)新的重大科學(xué)工程，工程的實(shí)施對(duì)于推動(dòng)我國空間大科學(xué)系統(tǒng)建設(shè)，進(jìn)一步豐富國際上X射線探測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加深對(duì)宇宙空間的認(rèn)識(shí)意義重大。

記者：與國外同類空間望遠(yuǎn)鏡相比，“慧眼”有哪些突出的優(yōu)勢(shì)？

潘騰：從工程和技術(shù)指標(biāo)上來講，“慧眼”在同類空間望遠(yuǎn)鏡中優(yōu)勢(shì)非常明顯：首先，功能性能強(qiáng)，既能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)觀測(cè)，又能對(duì)大天區(qū)進(jìn)行掃描成像，還能監(jiān)測(cè)空間的高能爆發(fā)源；其次，探測(cè)波段寬，利用三種探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了1～250 keV的全覆蓋；第三，探測(cè)面積大，尤其是高能X射線空間望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)面積超過了5000cm2，是國際上同能區(qū)面積最大的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡；第四，工作模式多；第五，平臺(tái)高可靠。完美的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，使得空間望遠(yuǎn)鏡在各種極端的條件下都能可靠的完成觀測(cè)、數(shù)據(jù)星上存貯和及時(shí)下傳等工作，保證任務(wù)可順利實(shí)施。該衛(wèi)星的研制，對(duì)于推動(dòng)中國航天的技術(shù)創(chuàng)新同樣具有重要意義。

記者：在工程實(shí)施中，研制團(tuán)隊(duì)是怎樣與用戶密切合作，大力協(xié)同，戰(zhàn)勝困難完成任務(wù)的？

潘騰：實(shí)際上，20世紀(jì)90年代初期，中國空間技術(shù)研究院和中國科學(xué)院就開始實(shí)施X射線空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的論證。2001年初，該項(xiàng)目通過評(píng)審。2001年4月26日，新華社正式向外界公布消息，中國將在2005年左右發(fā)射一顆自主研制的空間望遠(yuǎn)鏡，把空間望遠(yuǎn)鏡送入太空。后來，又用了10年時(shí)間圍繞著研制一顆高水平、國際一流的探測(cè)科學(xué)衛(wèi)星的目標(biāo)，對(duì)科學(xué)目標(biāo)、工程目標(biāo)和技術(shù)方案進(jìn)行了多輪反復(fù)的研討與調(diào)整。2011年，該空間望遠(yuǎn)鏡正式立項(xiàng)。高水準(zhǔn)、高目標(biāo)的提出，給衛(wèi)星研制提出了許多新課題、新難點(diǎn)、新挑戰(zhàn)。

一是技術(shù)難度大，載荷新研制。作為國內(nèi)首個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡，涉及到大量的全新探測(cè)器設(shè)計(jì)技術(shù)等，因此，研制難度很大。

二是溫控技術(shù)復(fù)雜，載荷限制條件多。“慧眼”基于解調(diào)成像方法基礎(chǔ)全新研制，載荷質(zhì)量為981kg，其中望遠(yuǎn)鏡本體質(zhì)量達(dá)到935kg；其有效載荷主要是靈敏的儀器設(shè)備，需要在－60～－80℃的低溫下才能可靠地工作，必須確保探測(cè)望遠(yuǎn)鏡不見太陽、地球和衛(wèi)星本體，以免輻射增溫。同時(shí)，安裝在同一支架上的高、中、低能探測(cè)器對(duì)溫度指標(biāo)要求懸殊，指標(biāo)最大溫差達(dá)60℃。必須采取主動(dòng)控溫和被動(dòng)控溫相結(jié)合的方法，多種溫控手段并用，這就需要通過安裝遮陽板、采取多極隔熱、采用深冷熱管技術(shù)以及優(yōu)化觀測(cè)狀態(tài)等方法實(shí)現(xiàn)載荷要求。

三是工作模式多種，姿態(tài)定向方式復(fù)雜。該空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行軌道為距地球550km的圓軌道，不同于常規(guī)太陽同步軌道對(duì)地遙感衛(wèi)星，“慧眼”用戶提出的實(shí)現(xiàn)全天區(qū)掃描的要求，對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)模式的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)全天球的空間天體高靈敏度的觀測(cè)需求，以及整星能源和散熱要求，“慧眼”必須采用傾斜軌道，并采用對(duì)日定向慢旋姿態(tài)、三軸穩(wěn)定慣性定向姿態(tài)、慣性穩(wěn)定小角度旋轉(zhuǎn)姿態(tài)、三軸穩(wěn)定軌控定向姿態(tài)共四種慣性定向姿態(tài)控制方式，且具有大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)的能力，從而保證“慧眼”巡天、定點(diǎn)、小天區(qū)、銀道掃描四種觀測(cè)模式的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，探測(cè)器對(duì)時(shí)間要求很高，要求記錄每一個(gè)到達(dá)的X光的準(zhǔn)確時(shí)間，便于事后分析，因此，必須做到分毫不差。

四是科學(xué)載荷地面標(biāo)定。與國內(nèi)外過去發(fā)射的遙感衛(wèi)星不同，在“慧眼”發(fā)射之前，科學(xué)載荷正樣件需要經(jīng)過充分地面標(biāo)定。載荷地面標(biāo)定試驗(yàn)為專項(xiàng)試驗(yàn)，且標(biāo)定周期長(zhǎng)，按照國際慣例通常需要4～6個(gè)月。

上述這些復(fù)雜的要求為整星的總體方案設(shè)計(jì)與任務(wù)規(guī)劃帶來了重重困難。然而，在困難面前我們勇敢面對(duì)，結(jié)合任務(wù)約束與需求，著重對(duì)“慧眼”的工作模式展開了深入的論證，對(duì)研制難度較大的控制、測(cè)控、數(shù)傳、熱控等分系統(tǒng)的技術(shù)方案進(jìn)行了反復(fù)專題討論，完成了多模式下慣性空間定向控制系統(tǒng)深入論證；針對(duì)“慧眼”測(cè)控與數(shù)傳任務(wù)的特殊性進(jìn)行了測(cè)控與數(shù)傳方案優(yōu)化論證，實(shí)現(xiàn)了全空間覆蓋，可見即可控可傳的測(cè)控與數(shù)傳方案；深入進(jìn)行了慣性空間定向復(fù)雜外熱流熱控技術(shù)研究，增加了遮陽板以減小太陽直射熱流對(duì)載荷低溫的影響；簡(jiǎn)化了熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等。通過上述總體深入論證與設(shè)計(jì)工作，簡(jiǎn)化了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性難度，實(shí)現(xiàn)了有效載荷超低溫度要求，滿足了整星多種觀測(cè)模式需求，保證了為有效載荷提供更多的科學(xué)數(shù)據(jù)。值得一提的是，在任務(wù)規(guī)劃安排上，我們盡可能給用戶和科學(xué)家提供靈活的選擇，多種選擇保證了探測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和任務(wù)的實(shí)施。

記者：業(yè)內(nèi)都高度稱贊這個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡成功開啟了中國航天界與科學(xué)界聯(lián)手進(jìn)行空間科學(xué)探測(cè)研究的新時(shí)代，是科學(xué)與技術(shù)，工程與科學(xué)結(jié)合的典范，請(qǐng)您介紹一下這方面的情況。

潘騰：這個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡由中國空間技術(shù)研究院總體部承擔(dān)衛(wèi)星平臺(tái)的研制，中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)科學(xué)目標(biāo)的提出和衛(wèi)星有效載荷的研制。研制“慧眼”對(duì)于我們雙方都是第一次。我們需要充分了解用戶的科學(xué)目標(biāo)和任務(wù)需求，用戶需要充分了解航天的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和套路。這種情況要求我們必須實(shí)現(xiàn)工程與科學(xué)的深度融合，才能目標(biāo)一致，相互了解，密切配合，達(dá)到目標(biāo)。5年多來，我們按照王希季院士的希望和要求，在工程與技術(shù)、工程與科學(xué)、航天領(lǐng)域與科學(xué)研究領(lǐng)域深度融合上進(jìn)行了積極的探索與實(shí)踐。主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

一是圍繞科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)突破空間望遠(yuǎn)鏡工程關(guān)鍵技術(shù)。在“慧眼”的工程研制中，我們一直不斷加深對(duì)工程科學(xué)目標(biāo)的理解，結(jié)合科學(xué)目標(biāo)和用戶的要求突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，從“慧眼”工程上來努力實(shí)現(xiàn)。也就是說，每一個(gè)技術(shù)問題的突破，用戶每一項(xiàng)要求的提出，工程進(jìn)展的每一步，都是與用戶部門的科學(xué)家們一道研究解決和實(shí)現(xiàn)的，從而，為科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了有力技術(shù)支撐。

二是按照航天標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制科學(xué)載荷。由于用戶方也是有效載荷研制方，在合作之初，我們按照中國空間技術(shù)研究院確保成功的“基本法”規(guī)范有效載荷的研制工作，促使了用戶研制快速進(jìn)入工程狀態(tài)。面對(duì)此種情況，我們就對(duì)他們進(jìn)行航天標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章制度、法規(guī)等培訓(xùn)，使他們逐漸加深對(duì)航天標(biāo)準(zhǔn)、流程和質(zhì)量管理措施的理解，形成共同的理念，共同的使命，共同的目標(biāo)。在共同努力下，使任務(wù)步步順利推進(jìn)，保證了進(jìn)度和質(zhì)量。同時(shí)，通過工程實(shí)踐也幫助用戶培養(yǎng)了一支航天產(chǎn)品的研制隊(duì)伍。

三是高質(zhì)量進(jìn)行產(chǎn)品配套研制。在科學(xué)載荷研制中，中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)了大量的產(chǎn)品配套工作，比如，高、中、低能望遠(yuǎn)鏡的處理電路由中國科學(xué)院高能物理研究所設(shè)計(jì)，中國空間技術(shù)研究院山東航天電子技術(shù)研究所承制，裝配由北京衛(wèi)星制造廠實(shí)施。只要科學(xué)家有需要，我們都責(zé)無旁貸地提供保障。

四是高精度實(shí)施試驗(yàn)驗(yàn)證。比如，在望遠(yuǎn)鏡的環(huán)境驗(yàn)證上，中國空間技術(shù)研究院在科研生產(chǎn)任務(wù)十分繁重的情況下提供了大量的支持。再比如，與發(fā)射的其他衛(wèi)星不同，“慧眼”有效載荷研制有一個(gè)特殊的要求就是射前標(biāo)定，以取得有效載荷能量響應(yīng)函數(shù)、探測(cè)效率、溫度響應(yīng)等載荷核心技術(shù)數(shù)據(jù)，以便與“慧眼”在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，檢測(cè)確定產(chǎn)品的基本狀態(tài)，該標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果將直接關(guān)系到“慧眼”在軌觀測(cè)結(jié)果的正確性、有效性和適用性。我們與科學(xué)家們一道完成了充分詳細(xì)、系統(tǒng)全面的標(biāo)定工作，為X射線空間望遠(yuǎn)鏡提供可信可用的觀測(cè)數(shù)據(jù)提供了成品。

通過上述工作，我們實(shí)現(xiàn)了在空間科學(xué)領(lǐng)域工程與技術(shù)，科學(xué)家與航天人的完美融合。因此可以說，“慧眼”項(xiàng)目的成功，是中國空間技術(shù)研究院和中科院高能所兩個(gè)“國家隊(duì)”在空間科學(xué)領(lǐng)域成功合作的典范，在用中國的理論、中國的衛(wèi)星，托舉起中國天文望遠(yuǎn)鏡，為中國和世界科學(xué)家提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

記者：“慧眼”填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的空白，作為總設(shè)計(jì)師，您怎樣評(píng)價(jià)研制它所取得的成果？

潘騰：概括起來主要是高水平、高可靠、低成本、國產(chǎn)化。首先，作為世界上同類空間望遠(yuǎn)鏡中工作模式最多的衛(wèi)星，“慧眼”無論從平臺(tái)的設(shè)計(jì)、姿態(tài)的控制到溫度的控制，都是數(shù)一數(shù)二的，體現(xiàn)出世界一流的水平。其次，采用相對(duì)成熟的衛(wèi)星平臺(tái)，通過設(shè)計(jì)軟件，設(shè)置工作模式，提升平臺(tái)功能，巧妙的設(shè)計(jì)，與眾不同的方法，支撐全天區(qū)觀測(cè)、高低溫工作載荷的工作，實(shí)現(xiàn)了低成本。再有，衛(wèi)星單機(jī)部件全部實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，這些單機(jī)部件已經(jīng)過中國空間技術(shù)研究院多顆衛(wèi)星的成功應(yīng)用，在可靠性、長(zhǎng)壽命上經(jīng)受了考驗(yàn)。

因此，“慧眼”設(shè)計(jì)壽命4年，按照低軌衛(wèi)星設(shè)計(jì)，我們感到運(yùn)行5年以上應(yīng)該沒有問題。特別需要指出的是，“慧眼”的研制，充分吸收了中國空間技術(shù)研究院幾十年來衛(wèi)星工程的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果，充分體現(xiàn)出研制隊(duì)伍滿足用戶需要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的創(chuàng)新能力，充分展現(xiàn)了中國空間技術(shù)研究院在空間科學(xué)衛(wèi)星領(lǐng)域研制成本更低，速度更快、可實(shí)現(xiàn)方法多，可拓展能力強(qiáng)的雄厚實(shí)力，同時(shí)中國空間技術(shù)研究院完整配套的科研生產(chǎn)體系，以及功能完備、世界一流的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)施與技術(shù)，充分彰顯出多領(lǐng)域、多平臺(tái)、全方位服務(wù)科學(xué)探測(cè)和應(yīng)用的能力，這些能力和水平可以保證我們按照用戶提出的任意要求量身定制，也就是說，只要有關(guān)領(lǐng)域有需要，科學(xué)家有需求，我們就做得到。