+ 劉進(jìn)軍

導(dǎo)讀：上個(gè)世紀(jì)的蘇聯(lián)，曾經(jīng)是世界第一的航天強(qiáng)國(guó)，就連美國(guó)都屈居第二。蘇聯(lián)曾經(jīng)提出若干建設(shè)大型太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想，以期更多地了解宇宙的秘密，然而隨著國(guó)家的動(dòng)蕩瓦解，這些計(jì)劃也都或多或少地被擱置或者被消減，雖然其中有部分在俄羅斯度過(guò)經(jīng)濟(jì)動(dòng)蕩時(shí)期之后得到重啟，但是曾經(jīng)的優(yōu)勢(shì)已不復(fù)存在。

今天，我們就來(lái)認(rèn)識(shí)一下那些命運(yùn)多舛的太空望遠(yuǎn)鏡：蘇聯(lián)的“斯皮卡”（Spika）紫外望遠(yuǎn)鏡，以及在1980年代末期由蘇聯(lián)提出、后由俄羅斯實(shí)現(xiàn)的三大“偉大的觀測(cè)臺(tái)”計(jì)劃：“頻譜-射電”號(hào)、“頻譜-X射線”號(hào)和“頻譜-紫外”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡。

“斯皮卡”紫外望遠(yuǎn)鏡

宇宙的奧秘就鎖在宇宙里！如何找到正確的密碼？

當(dāng)下，天文學(xué)正在經(jīng)歷一個(gè)非常令人興奮的時(shí)代。人類看到的各種現(xiàn)象都與宇宙密切關(guān)聯(lián)，但人類看見(jiàn)的宇宙只有很小一部分。太空望遠(yuǎn)鏡回答宇宙奧秘的時(shí)刻已經(jīng)來(lái)到。

人類的眼睛無(wú)法觀察到宇宙的射線，例如無(wú)線電波、紅外線、X射線。20世紀(jì)中期，天文學(xué)得到迅速發(fā)展，人類發(fā)現(xiàn)：宇宙是一個(gè)更多樣化、更動(dòng)態(tài)的世界。

蝴蝶星云

1983年3月，蘇聯(lián)發(fā)射了與法國(guó)合作開(kāi)發(fā)的太空天文觀測(cè)臺(tái)——“斯皮卡”（Spika）。這架太空望遠(yuǎn)鏡載有一臺(tái)紫外望遠(yuǎn)鏡，主鏡直徑為0.8米。這個(gè)項(xiàng)目由克里米亞天文物理觀測(cè)站負(fù)責(zé)人安德烈·塞佛尼領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，塞佛尼和他的同事博亞爾丘克和格拉尼斯奇將項(xiàng)目推進(jìn)到開(kāi)發(fā)階段。

這時(shí)，阻礙出現(xiàn)了。“斯皮卡”項(xiàng)目主要承包商拉沃契金設(shè)計(jì)局的首席設(shè)計(jì)師維恰斯拉夫·庫(kù)沃圖恩科對(duì)天文觀測(cè)臺(tái)項(xiàng)目持懷疑態(tài)度，拉沃契金設(shè)計(jì)局也經(jīng)常在科學(xué)界詆毀天文衛(wèi)星項(xiàng)目計(jì)劃。塞佛尼知道，僅憑自己的力量難以左右蘇聯(lián)最著名的設(shè)計(jì)局。他想了一個(gè)妙招：向蘇聯(lián)共產(chǎn)黨中央委員會(huì)寫了一封游說(shuō)信，講述天文衛(wèi)星和宇宙探索的偉大意義、前景和影響。果然，這一招一擊致命，基本上迫使庫(kù)沃圖恩科遵守計(jì)劃，老老實(shí)實(shí)地研制“斯皮卡”太空望遠(yuǎn)鏡。最終，“斯皮卡”成功發(fā)射入軌。

太空鉆戒——Arp 147星系

螺旋星系

非常幸運(yùn)的是，“斯皮卡”太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了壯觀的1987A號(hào)超新星的爆發(fā)，舉世聞名、意義重大。不幸的是，“斯皮卡”號(hào)的科學(xué)有效性受到克里米亞半島葉夫帕托里亞地區(qū)單一地面接收天線數(shù)量的限制。結(jié)果，來(lái)自“斯皮卡”號(hào)的科學(xué)數(shù)據(jù)被來(lái)自西方“國(guó)際紫外線（IUE）”探測(cè)器的數(shù)據(jù)淹沒(méi)了，后者主鏡直徑只有“斯皮卡”號(hào)直徑的一半，但數(shù)據(jù)接收由位于美國(guó)哥達(dá)德太空飛行中心的一對(duì)地面天線和位于西班牙的“維拉·弗蘭卡”天線支持，更容易獲得更多的數(shù)據(jù)。這讓蘇聯(lián)科學(xué)家非常沮喪。

來(lái)自“斯皮卡”的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在一個(gè)集中的檔案中，這讓世界各地的科學(xué)家更容易獲得來(lái)自蘇聯(lián)航天器的信息。

1989年6月，“斯皮卡”號(hào)停止了積極的工作。在那個(gè)時(shí)候，蘇聯(lián)科學(xué)家設(shè)想了一個(gè)更大的紫外望遠(yuǎn)鏡，稱為“頻譜-紫外（Spektr-UF）”太空望遠(yuǎn)鏡。

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡

這一次，俄羅斯天體物理學(xué)家希望能夠真正主導(dǎo)一個(gè)國(guó)際天文觀測(cè)領(lǐng)域，與來(lái)自全世界的科學(xué)家分享廣泛和豐富的天文數(shù)據(jù)。然而，美好的夢(mèng)想路途艱難，由于各種原因，“頻譜-紫外”項(xiàng)目幾次生而復(fù)死，幾次死而復(fù)生，一再拖延?？茖W(xué)，在磨難之中艱難前行。（關(guān)于“頻譜-紫外”號(hào)，后文將開(kāi)辟專門的章節(jié)描述。）

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡

如果將一座天文臺(tái)送到太空多好啊!

如果能在太空中觀測(cè)宇宙那就更好了!

為此，1980年代末期，蘇聯(lián)提出了三大“偉大的觀測(cè)臺(tái)”的計(jì)劃：“頻譜-射電”號(hào)、“頻譜-X射線”號(hào)和“頻譜-紫外”號(hào)。

·“頻譜-R”(Spektr-R)射電太空望遠(yuǎn)鏡，或稱為射電軌道天文臺(tái)、射電太空天體物理觀測(cè)臺(tái)；

·“頻譜-RG”(Spektr-RG，Rentgen)X射線太空望遠(yuǎn)鏡，或稱為X射線軌道天文臺(tái)、X射線太空天體物理觀測(cè)臺(tái)；

·“頻譜-UF”(Spektr-UF，Ultraf i olet)紫外太空望遠(yuǎn)鏡，或稱為紫外天文臺(tái)、紫外太空天體物理觀測(cè)臺(tái)；

其中，“頻譜-R”太空望遠(yuǎn)鏡,也稱為“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡，由俄羅斯太空天文中心開(kāi)發(fā)，俄羅斯拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制，是進(jìn)入21世紀(jì)后俄羅斯第一個(gè)天體物理學(xué)航天器、第一顆太空望遠(yuǎn)鏡?！邦l譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)是偵聽(tīng)來(lái)自宇宙的無(wú)線電波。它承載著開(kāi)創(chuàng)全新一代太空天文臺(tái)，并啟動(dòng)俄羅斯的太空天文學(xué)研究的重任。

1、研制之路

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡的偉大設(shè)想可以追溯到1980 年代初。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)是世界第一的航天強(qiáng)國(guó)，其發(fā)射的火箭、衛(wèi)星、飛船、空間站、太空探測(cè)器等航天器總數(shù)，占世界總發(fā)射量的70%。位居第二的美國(guó)，無(wú)論航天技術(shù)實(shí)力還是衛(wèi)星數(shù)量上都與其相差甚遠(yuǎn)。

但在這些發(fā)射中，軍事衛(wèi)星占70%以上，天文科學(xué)家則認(rèn)為：宇宙探索是世界上最偉大的科學(xué)任務(wù)，比那些毫無(wú)科學(xué)價(jià)值的軍事衛(wèi)星更有意義，對(duì)人類貢獻(xiàn)更大。但當(dāng)蘇聯(lián)天文科學(xué)家向政府建議建造太空射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)，得到的回答是：“地球上的事情重要，還是遙遠(yuǎn)的宇宙中的事情重要？”蘇聯(lián)天文科學(xué)家只好低下頭回答：“當(dāng)然地球上的事情重要?！?/p>

“回去吧！想想怎樣把資本主義消滅掉！”“那太空射電望遠(yuǎn)鏡的事……”“等咱們讓共產(chǎn)主義的旗幟在全世界飄揚(yáng)后，你那個(gè)什么太空射電望遠(yuǎn)鏡就可以建造了！”

然而沒(méi)過(guò)幾年，蘇聯(lián)便分崩離析，太空射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目更再也沒(méi)有人提起。十多年后，俄羅斯的經(jīng)濟(jì)稍有恢復(fù)，天文科學(xué)家才又提議建造太空射電望遠(yuǎn)鏡。

2002年，俄羅斯科學(xué)院給了天體物理學(xué)的先鋒——“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡最高優(yōu)先級(jí)。它的發(fā)射時(shí)間定在2004年～2006年，不遲于2007年，預(yù)計(jì)在2008年擊敗美國(guó)和日本的類似任務(wù)。由于俄羅斯航天工業(yè)的技術(shù)和組織問(wèn)題重重，研發(fā)資金也時(shí)有時(shí)無(wú)，研制進(jìn)展緩慢。天文學(xué)家們只能望向遙遠(yuǎn)的星空哀嘆！

終于，2011年7月18日2時(shí)23分，“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡搭載“天頂-巡洋艦”火箭，從拜科努爾航天中心成功發(fā)射升空。從提出到最終發(fā)射，經(jīng)歷了坎坷的近30年。

2、衛(wèi)星設(shè)計(jì)

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡以超高分辨率的射電觀測(cè)河外星系,以及研究近地和行星際等離子體的特性。其主要科學(xué)目標(biāo)是進(jìn)行天文學(xué)研究，這將通過(guò)將衛(wèi)星與地面觀測(cè)站和干涉測(cè)量技術(shù)結(jié)合使用而實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)科學(xué)目標(biāo)是研究天體物理學(xué)和宇宙學(xué)，包括恒星的形成、星系的結(jié)構(gòu)、星際空間、黑洞和暗物質(zhì)等。

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射重量3660千克，科學(xué)儀器重量2500千克。像所有俄羅斯的太空望遠(yuǎn)鏡一樣，“頻譜-射電”號(hào)基于標(biāo)準(zhǔn)“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)建。帶有大型射電天線的“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)，為太空望遠(yuǎn)鏡提供所有飛行控制和電源功能，科學(xué)儀器載荷被包裝在2個(gè)容器中，安置在天線和“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)之間。

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡參數(shù)

“頻譜-射電”號(hào)的天線直徑10米，像一支巨大的雨傘，由27片碳纖維“花瓣”組成，分為3個(gè)部分，每個(gè)部分有9片“花瓣”。“花瓣”圍繞著直徑為3米的固體支架。當(dāng)天線打開(kāi)時(shí)，反射面必須保持其位置在預(yù)定曲線的兩毫米誤差內(nèi)，仰望和掃描太空。10米射電望遠(yuǎn)鏡將以4個(gè)不同頻段的無(wú)線電波工作，可以同時(shí)聽(tīng)到2個(gè)頻率的無(wú)線電波源。

在折疊位置，天線由特殊的彈簧圓環(huán)固定在衛(wèi)星底座上。圓環(huán)剛好位于饋源的下方，同時(shí)，每個(gè)花瓣配備有一個(gè)特殊的鉤子，并且具有27個(gè)球形插座的鎖。怎樣打開(kāi)天線呢？當(dāng)激活3個(gè)爆炸螺栓時(shí)，圓環(huán)將被彈簧向上推開(kāi)，旋轉(zhuǎn)并釋放和打開(kāi)“花瓣”。不同空間條件下，衛(wèi)星將使用電機(jī)按順序展開(kāi)所有“花瓣”，這個(gè)過(guò)程可能從15分鐘到2個(gè)小時(shí)不等。

天線部署順序具有2種不同的模式：一種是標(biāo)稱部署，施加600千克的載荷；一種是緊急部署，在出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，施加1200千克的載荷，以打開(kāi)“花瓣”。當(dāng)接近打開(kāi)完成時(shí)，一個(gè)特殊的傳感器將確認(rèn)“花瓣”是否達(dá)到永久固定的位置。然后，打開(kāi)機(jī)構(gòu)將據(jù)此進(jìn)行最終推動(dòng)，觸發(fā)用于將“花瓣”固定在操作位置的信號(hào)，“花瓣”遂通過(guò)其邊緣的特殊針腳相互鎖定。

“花瓣”框架由碳纖維管制成，碳纖維管表面覆蓋3層碳纖維薄膜與鋁蜂窩的合成物。

9個(gè)連接螺栓將實(shí)心中央反射鏡固定到傾斜的桁架上。傾斜桁架是由鋁合金制成的圓柱形肋結(jié)構(gòu)，作為射電望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)元件，支撐著所有的花瓣、中央鏡、饋源的6個(gè)支撐腿和所有展開(kāi)設(shè)備。此外，星敏感器也連接到桁架，以減少熱變形的影響。

科學(xué)家設(shè)計(jì)了覆蓋反射面的薄鋁涂層，以使其具有98%的反射率。為了減少天線的熱變形，“花瓣”框架的碳纖維管將采用特殊加熱元件以保持50℃，每個(gè)“花瓣”都具有縱向均勻分布的11個(gè)這樣的加熱器。根據(jù)任務(wù)要求，天線的主表面不應(yīng)暴露于陽(yáng)光下，因此在背面，“花瓣”的熱隔離屏蔽多達(dá)50層。

饋源系統(tǒng)高于主天線盤。它由碳復(fù)合材料制成，由特殊材質(zhì)的6個(gè)“腿”支撐，它容納了望遠(yuǎn)鏡的所有無(wú)線電接收器。附著在饋源上的遮陽(yáng)棚，會(huì)保持饋源的敏感系統(tǒng)足夠冷卻，以便操作。

“頻譜-射電”號(hào)最遠(yuǎn)距離地球34萬(wàn)千米，為了保持與地球的通信聯(lián)系，具有1.5米直徑、重約80千克的碳纖維高增益天線通過(guò)稱為VIRK的專用可伸縮懸臂，被安裝在導(dǎo)航器平臺(tái)的底側(cè)。天線在2個(gè)方向上發(fā)送數(shù)據(jù)，并且用于幫助同步望遠(yuǎn)鏡與地面的頻率。此外，導(dǎo)航器平臺(tái)上還安裝了幾個(gè)較小的低增益天線。

“頻譜-射電”號(hào)由一對(duì)太陽(yáng)能帆板提供電力。這些太陽(yáng)能帆板可以圍繞單個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)，以最大化接收太陽(yáng)光。太陽(yáng)能帆板由列舍特涅夫信息衛(wèi)星系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)，留里卡-土星設(shè)計(jì)局提供光伏元件。

為了確定太空望遠(yuǎn)鏡在太空中的位置及姿態(tài)，“頻譜-射電”號(hào)配備了3個(gè)星敏感器，這樣的星敏感器只需2個(gè)，便足以使星載計(jì)算機(jī)控制衛(wèi)星在所有三個(gè)維度的位置。在任務(wù)期間，一個(gè)特殊的反作用輪系統(tǒng)被用來(lái)保持“頻譜-射電”號(hào)的姿態(tài)控制。

“頻譜-射電”號(hào)的天線與“花瓣”

3、國(guó)際合作

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡并不獨(dú)立工作，當(dāng)它在太空中運(yùn)行，將與地面的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合偵測(cè)，形成一個(gè)巨大的虛擬望遠(yuǎn)鏡。由于無(wú)線電波的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，射電望遠(yuǎn)鏡的反射鏡必須非常大，才能把波集中在很好的分辨率上，這對(duì)捕捉深藏在宇宙中的無(wú)線電來(lái)源特別重要。天基和地面望遠(yuǎn)鏡的網(wǎng)絡(luò)，可以形成一個(gè)比地球本身更大的巨型收集器，達(dá)到前所未有的信號(hào)清晰度。

這個(gè)設(shè)計(jì)方案非常有吸引力！俄羅斯專家預(yù)計(jì)：澳大利亞、智利、中國(guó)、歐洲、印度、日本、韓國(guó)、墨西哥、白俄羅斯、南非、烏克蘭和美國(guó)的地面天文望遠(yuǎn)鏡都會(huì)加入“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，采用一種稱為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)的技術(shù)，進(jìn)行最精密的天文觀察。

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)載荷是來(lái)自國(guó)際團(tuán)隊(duì)的高科技精密儀器。其中包含：印度的星載紫外頻譜儀，澳大利亞的無(wú)線電接收機(jī)，歐空局的巨型天線，荷蘭提供真空設(shè)備的力學(xué)試驗(yàn)室，瑞士納沙泰爾天文臺(tái)的超高精度銣時(shí)鐘。

衛(wèi)星的其它部分同樣體現(xiàn)了國(guó)際合作：印度提供92厘米的P頻段接收器的低噪聲放大器，澳大利亞提供18厘米的L頻段接收器，荷蘭、德國(guó)宇航公司提供6.2厘米的C頻段接收器，芬蘭赫爾辛基大學(xué)提供1.35厘米的K頻段接收器，美國(guó)提供K頻段接收機(jī)。

“頻譜-射電”號(hào)實(shí)現(xiàn)了俄羅斯天文科學(xué)家的夢(mèng)想，俄羅斯的列別捷夫物理研究所、天文航天中心、俄羅斯科學(xué)院的科學(xué)家參與了“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，他們領(lǐng)導(dǎo)超一流的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，見(jiàn)證了射電天文學(xué)、太空時(shí)代的黎明光輝。

4、發(fā)射升空

2011年7月18日2時(shí)23分，“天頂-巡洋艦”火箭載著“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡，從拜科努爾航天中心發(fā)射升空?！邦l譜-射電”號(hào)進(jìn)入近地點(diǎn)10651.6千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)338541.5千米，軌道傾角42.46°，軌道周期12769.93分鐘，平均運(yùn)動(dòng)0.1126轉(zhuǎn)/天的大橢圓軌道。

當(dāng)“天頂”號(hào)火箭發(fā)射后不久，“巡洋艦”上面級(jí)將“頻譜-射電”號(hào)從500千米的最近地點(diǎn)發(fā)送到34萬(wàn)千米的最遠(yuǎn)地點(diǎn)，形成34萬(wàn)千米高度的圓形軌道。這將確保衛(wèi)星在軌運(yùn)行至少9年，它將永遠(yuǎn)不會(huì)在地球的陰影中超過(guò)2個(gè)小時(shí)。

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡測(cè)試

“頻譜-射電”號(hào)34萬(wàn)千米遠(yuǎn)地點(diǎn)與38萬(wàn)千米的月球軌道相近，將在很多方面考驗(yàn)俄羅斯飛行控制人員深空任務(wù)的技術(shù)和智慧。由于月球的引力，“頻譜-射電”號(hào)的軌道預(yù)計(jì)以3年為周期來(lái)回漂移，在距地球26.5萬(wàn)千米～36萬(wàn)千米點(diǎn)之間波動(dòng)，近地點(diǎn)在400千米和6.5萬(wàn)千米之間。它8～9天完成一次環(huán)繞地球。

這種漂移會(huì)大大擴(kuò)展“頻譜-射電”號(hào)望遠(yuǎn)鏡的視野。據(jù)估計(jì)，“頻譜-射電”號(hào)在一個(gè)點(diǎn)或其他點(diǎn)，將“查看”高達(dá)80%的潛在目標(biāo)?！邦l譜-射電”號(hào)計(jì)劃在軌道上度過(guò)最初的45天，通過(guò)工程調(diào)試，包括部署主要天線，各種系統(tǒng)檢查和通信測(cè)試。

其次是科學(xué)調(diào)試測(cè)試，這涉及到主要地面望遠(yuǎn)鏡。在此期間天文學(xué)家希望從“頻譜-射電”號(hào)接收到第一個(gè)科學(xué)信息，在此后3～6個(gè)月，“頻譜-射電”號(hào)將進(jìn)行初步的科學(xué)觀察。隨后，“頻譜-射電”號(hào)正式展開(kāi)常規(guī)科學(xué)觀測(cè)計(jì)劃。在每一個(gè)為期8天的軌道周期內(nèi)，“頻譜-射電”號(hào)至少有7天在致力于科學(xué)觀察。

在“頻譜-射電”號(hào)最初預(yù)計(jì)將運(yùn)行至少5年。它的星載系統(tǒng)的壽命主要限制因素是：在“頻譜-射電”號(hào)穿越地球輻射帶期間，宇宙輻射的破壞作用。同時(shí)，專家預(yù)測(cè)了“頻譜-射電”號(hào)的實(shí)際壽命，軌道衰減約9年。當(dāng)結(jié)束生命時(shí)，“頻譜-射電”號(hào)將再入地球大氣層，在烈火和呼嘯中粉身碎骨。

“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測(cè)任務(wù)中，位于俄羅斯普希諾天文臺(tái)22米“RT-22”射電望遠(yuǎn)鏡承擔(dān)主要跟蹤任務(wù)。莫斯科熊湖附近的Medvezhi Ozera地面站，俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的Ussuriysk地面站將負(fù)責(zé)這次任務(wù)的飛行控制。在阿雷西博、Badary、斯伯格、GBT、醫(yī)學(xué)、Noto、Svetloe等地面望遠(yuǎn)鏡，Zelenchukskaya的“RATAN-600”射電望遠(yuǎn)鏡也將參加頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡的聯(lián)合觀測(cè)。

“天頂-巡洋艦”火箭飛行時(shí)序

經(jīng)歷了30多年的歷史災(zāi)難、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題和社會(huì)的犬儒主義，俄羅斯天體物理科學(xué)第一次進(jìn)入太空。到2016年2月24日23時(shí)21分29秒，“頻譜-射電”號(hào)已經(jīng)環(huán)繞軌道飛行了197圈。它為俄羅斯和全世界打開(kāi)了一個(gè)嶄新的宇宙！

“頻譜-X射線”太空望遠(yuǎn)鏡

“頻譜-X射線”（Spektr-RG）號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡是當(dāng)年蘇聯(lián)三個(gè)“偉大的觀測(cè)臺(tái)”項(xiàng)目之一,由俄羅斯太空天文中心開(kāi)發(fā)，俄羅斯拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體研制。

1、研制之路

當(dāng)年，蘇聯(lián)科學(xué)院天文學(xué)部的拉什德·斯園亞耶夫院士提出：必須建造一架“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡?！邦l譜-X射線”號(hào)（Spektr-RG），其中RG代表倫琴-伽馬（Roentgen-Gamma），也就是X射線。它是為天體物理學(xué)研究而設(shè)計(jì)的，拉什德·斯園亞耶夫院士之前領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)科學(xué)家小組，利用“和平”號(hào)空間站進(jìn)行天文學(xué)觀測(cè)，成果巨大。

“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡

“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡的概念是在1987年的科學(xué)研討會(huì)上制定的?？茖W(xué)研討會(huì)認(rèn)為：蘇聯(lián)發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星已30周年，現(xiàn)在也應(yīng)該研制一架超時(shí)空的太空望遠(yuǎn)鏡，讓蘇聯(lián)的科學(xué)研究永遠(yuǎn)走在世界最前列。蘇聯(lián)最有傳奇色彩的科學(xué)院院士、天體物理學(xué)家、理論物理學(xué)家雅科夫·澤爾多維奇和俄國(guó)太空研究所所長(zhǎng)沙杰迪夫與斯園亞耶夫院士一起，站在太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的最前沿。

“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡將擴(kuò)大X射線天文學(xué)的視野。它完全可以成為蘇聯(lián)和全世界天文學(xué)家觀測(cè)宇宙的主要窗口。然而，研討會(huì)后沒(méi)幾年，蘇聯(lián)解體，俄羅斯過(guò)渡時(shí)期的經(jīng)濟(jì)風(fēng)暴，不斷拖延和削弱了“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)展。

1990年代中期，“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃涉及廣泛的國(guó)際合作，包括來(lái)自丹麥、英國(guó)、德國(guó)、意大利、美國(guó)、芬蘭、瑞士、以色列、匈牙利、吉爾吉斯斯坦、加拿大和土耳其等20多個(gè)國(guó)家和組織。

按照計(jì)劃，這架6噸重的太空望遠(yuǎn)鏡將攜帶2750千克科學(xué)儀器，包括5架望遠(yuǎn)鏡：SODART、JET-X、MART-LIME、FUVITA和TAUVEX，以及對(duì)X射線和伽馬輻射敏感的全天空監(jiān)視器（MOXE）。由“質(zhì)子”火箭將其運(yùn)載到距離地球表面上方20萬(wàn)千米遠(yuǎn)的、近地點(diǎn)500千米、傾角51.6°的高橢圓軌道上。在那里，“頻譜-X射線”號(hào)可以一次工作長(zhǎng)達(dá)80小時(shí)，并且沒(méi)有地球輻射帶的干擾?！邦l譜-X射線”號(hào)需要4天才能完成一個(gè)單軌道，每天可以指向多達(dá)10個(gè)不同的目標(biāo)。

除了極大的政治壓力，財(cái)政困難的俄羅斯政府最終未能為該項(xiàng)目提供資金。各合作伙伴的許多科學(xué)儀器和其他硬件已進(jìn)入制造和測(cè)試，而“頻譜-X射線”號(hào)項(xiàng)目啟動(dòng)日期卻從1996年推遲到1997年、1998年、1999年，又到2000年、2002年和2003年，科研資金不斷下降，直到最終在2002年2月被宣布項(xiàng)目計(jì)劃中止。

作為對(duì)國(guó)際合作伙伴損失的“賠償”，俄羅斯政府提供了一枚“質(zhì)子”火箭，用以發(fā)射一個(gè)類似的歐洲太空望遠(yuǎn)鏡，名為“國(guó)際伽瑪射線天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室（INTEGRAL）”的天文衛(wèi)星。

俄羅斯一些參加了“頻譜-X射線”號(hào)項(xiàng)目的科學(xué)家，甚至決定“跳船”，加入歐洲“國(guó)際伽瑪射線”項(xiàng)目，歐空局向俄羅斯的合作伙伴提供了25%的觀察時(shí)間。具有諷刺意味的是，歐洲的“國(guó)際伽瑪射線”天文臺(tái)也正是在2002年順利發(fā)射升空。

就在大家以為“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡可能要就此進(jìn)入博物館的時(shí)候，“頻譜-X射線”號(hào)重生了。隨著21世紀(jì)頭十年俄羅斯財(cái)政狀況的改善，“頻譜-X射線”號(hào)重新成為一個(gè)更小、更便宜的項(xiàng)目，被列入俄羅斯太空天文臺(tái)發(fā)射的最高優(yōu)先級(jí)，被安排到“頻譜-射電”太空望遠(yuǎn)鏡的后面。這2顆衛(wèi)星都將改為使用拉沃契金設(shè)計(jì)局研制的新標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星平臺(tái)——“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)。

2005年，俄羅斯宇航局與歐空局開(kāi)始討論在“頻譜-X射線”號(hào)上安裝一對(duì)歐洲儀器的可能性，包括德國(guó)的eRosita X射線望遠(yuǎn)鏡陣列和英國(guó)“龍蝦眼”全天空X射線監(jiān)視器。最初，這2種儀器被考慮安裝在國(guó)際空間站的歐洲“哥倫布”艙段上。然而，國(guó)際空間站的周圍環(huán)境容易污染載荷中的敏感光學(xué)器件，又因?yàn)槊绹?guó)航天飛機(jī)計(jì)劃的過(guò)早消亡，使科學(xué)家們不得不尋找更適合的方案。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，俄羅斯成立了國(guó)際工作組，由俄羅斯太空研究所、德國(guó)馬克斯·普朗克研究所、英國(guó)萊斯特大學(xué)，以及歐洲、俄羅斯和德國(guó)太空機(jī)構(gòu)的代表組成。國(guó)際工作組評(píng)估了各種方法來(lái)集群可用的科學(xué)儀器，并且考慮納入美國(guó)、日本、荷蘭團(tuán)隊(duì)建造的另一架望遠(yuǎn)鏡。最終，由于英國(guó)缺乏資金，“龍蝦眼”也未能進(jìn)入載荷名單。

2012年，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的變化和修改，“頻譜-X射線”號(hào)最終定型。它的發(fā)射重量2647 千克，凈重2267千克，推進(jìn)劑重量大約360千克，科學(xué)儀器重量1100千克；采用“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)；2片太陽(yáng)能帆板和電池，電力700瓦；設(shè)計(jì)壽命7.5年。

2、載荷及科學(xué)意義

“頻譜-X射線”號(hào)所搭載的科學(xué)儀器是：德國(guó)慕尼黑的馬克斯·普朗克研究所開(kāi)發(fā)的eRosita X射線空間望遠(yuǎn)鏡，重量350千克；俄羅斯薩哈羅夫市核研究中心開(kāi)發(fā)的“ARTXC”掩碼望遠(yuǎn)鏡，重量810千克。

盡管只有2臺(tái)科學(xué)儀器，“頻譜-X射線”號(hào)卻有可能獲得高能天體物理領(lǐng)域的革命性數(shù)據(jù)。以前的X射線望遠(yuǎn)鏡，如歐洲“牛頓”X射線望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)宇航局的“錢德拉”X射線望遠(yuǎn)鏡，只配備儀器與狹窄的視角?！邦l譜-X射線”號(hào)則不同 ，德國(guó)的eRosita X射線空間望遠(yuǎn)鏡提供靈敏度的整個(gè)范圍廣角視圖、及俄羅斯的“ART-XC”掩碼望遠(yuǎn)鏡的低能量水平，將擴(kuò)展天空廣角調(diào)查。

“頻譜-X射線”號(hào)的探測(cè)靈敏度和探測(cè)深度將比之前的科學(xué)儀器提高30 倍，可以用于解譯宇宙中的X射線源，如黑洞、中子星和白矮星。

“頻譜-X射線”號(hào)將產(chǎn)生一份X射線源目錄。它不僅能夠研究銀河系星團(tuán)的分布，還能夠檢測(cè)研究整個(gè)宇宙多達(dá) 70萬(wàn)顆恒星和300 萬(wàn)個(gè)超大質(zhì)量黑洞，以及銀河系的罕見(jiàn)天體，如孤立的中子星?！邦l譜-X射線”號(hào)還可以窺見(jiàn)“暗物質(zhì)”的熱氣體的輻射，為這個(gè)神秘的物質(zhì)描繪其在宇宙各處的分布圖。

“頻譜-X射線”號(hào)計(jì)劃任務(wù)周期為7年，前4年中，將對(duì)整個(gè)天空?qǐng)?zhí)行8次巡天觀測(cè)；接下來(lái)的3年，“頻譜-X射線”號(hào)將觀察特定的目標(biāo)，如單個(gè)星系。

3、軌道及發(fā)射計(jì)劃

科學(xué)家們認(rèn)為，日地連線上的“拉格朗日-L2”點(diǎn)將是“頻譜-X射線”號(hào)任務(wù)的理想地點(diǎn)。這個(gè)天體“鄰域”為“頻譜-X射線”號(hào)提供了“安靜”的重力和磁條件，沒(méi)有許多擾動(dòng)，也沒(méi)有薄空氣的痕跡使低空軌道中的航天器減速，僅輕微顆粒的微小“壓力”，每月僅需要姿態(tài)控制系統(tǒng)動(dòng)作一下。

“頻譜-X射線”有效載荷的功能

而“頻譜-X射線”號(hào)的軌道及發(fā)射方案也是幾經(jīng)易稿，一改再改。初步的發(fā)射計(jì)劃是，“天頂-2/巡洋艦-SB”火箭將攜帶“頻譜-X射線”號(hào)進(jìn)入圍繞地球的高度橢圓軌道，近地點(diǎn)為491千米，最遠(yuǎn)地點(diǎn)為41.1490萬(wàn)千米，向赤道傾斜51.4°。從那里，“頻譜-X射線”號(hào)將使用自己的推進(jìn)系統(tǒng)和月球的重力牽引，以進(jìn)入在地球和太陽(yáng)之間的“拉格朗日-L2”點(diǎn)。

然而，到2012年中，發(fā)射方案被建議改為直接飛往“拉格朗日-L2”點(diǎn)，這樣有利于給予任務(wù)控制更多的時(shí)間來(lái)評(píng)估發(fā)射之后航天器的實(shí)際路徑，并計(jì)算到達(dá)最終目的地所需的軌道校正量。俄羅斯宇航局介紹方案稱：“巡洋艦-SB”火箭將在發(fā)射后1.6小時(shí)內(nèi)，2次點(diǎn)火，將“頻譜-X射線”號(hào)發(fā)射到最低的近地點(diǎn)軌道，高度為1020千米，最高點(diǎn)延伸到141.5510萬(wàn)千米。這樣基本上接近目標(biāo)“拉格朗日-L2”點(diǎn)。

不管何種方案，“頻譜-X射線”號(hào)都可能是第一個(gè)到達(dá)“拉格朗日-L2”點(diǎn)的俄羅斯航天器，這被認(rèn)為對(duì)新一代科學(xué)任務(wù)具有巨大的意義。

最終，據(jù)俄羅斯應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所的計(jì)算認(rèn)為，直飛方案能夠最大程度節(jié)約推進(jìn)劑，而對(duì)應(yīng)的發(fā)射窗口將在2014年12月30日，機(jī)會(huì)極為寶貴！

但因?yàn)楦鞣N原因，計(jì)劃最終還是推遲了。到2015年底，俄羅斯宇航局為“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡已花費(fèi)了56.9億盧布，近1億美元。時(shí)過(guò)境遷，待發(fā)射時(shí)，“頻譜-X射線”號(hào)已不再是最強(qiáng)大、最精確的X射線太空望遠(yuǎn)鏡了。

截止2018年年中，發(fā)射日期確定為2019年4月。屆時(shí)，“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡將搭乘烏克蘭“天頂-3F”火箭，從拜科努爾航天中心發(fā)射升空。它能看見(jiàn)行星際磁場(chǎng)、星系和黑洞嗎？科學(xué)家期待著。

“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡

地球大氣具有過(guò)濾效應(yīng)，阻擋了大多數(shù)電磁波譜，包括紫外線。因此，自1970年代以來(lái)，紫外線的觀測(cè)更多被委托給運(yùn)行在大氣層之外的天文臺(tái)——太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)負(fù)責(zé)。

“頻譜-X射線”號(hào)的望遠(yuǎn)鏡

“頻譜-X射線”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡

“頻譜-紫外”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡便是一個(gè)紫外線觀測(cè)天文衛(wèi)星，它能夠“看”到宇宙中的紫外線和可見(jiàn)光，觀測(cè)宇宙中出現(xiàn)的戲劇性現(xiàn)象,也被稱為世界太空紫外線天文臺(tái)。憑借出色的紫外線視覺(jué)，“頻譜-紫外”號(hào)將在天體物理學(xué)中推動(dòng)2個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的研究進(jìn)展：行星和行星系統(tǒng)的形成，以及星際和星際介質(zhì)的宇宙學(xué)和化學(xué)演化。

1、作用及價(jià)值

“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)能力在當(dāng)時(shí)是任何其他儀器無(wú)法比擬的。盡管它的物理尺寸比“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡小，但所搭載的紫外線儀比“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡敏感一個(gè)數(shù)量級(jí)。

計(jì)劃中，“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者——“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡，由美國(guó)宇航局和歐空局資助，將與“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡展開(kāi)聯(lián)合觀測(cè)。“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡在紅外光譜范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，紫外光的觀測(cè)則交給“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡。

“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡由俄羅斯太空天文中心開(kāi)發(fā)，俄羅斯拉沃契金設(shè)計(jì)局研制。它最終確定的發(fā)射重量為2840千克，科學(xué)儀器重量1600千克；長(zhǎng)度9.604 米，最大跨度17.05米；2片6聯(lián)太陽(yáng)能帆板和電池，電力750瓦；科學(xué)數(shù)據(jù)下行鏈路速率高達(dá)4兆字節(jié)；設(shè)計(jì)壽命7年。

“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡將搭載一架俄羅斯制造的“T-170M”望遠(yuǎn)鏡，直徑為1.7米，視角0.5°，焦距17米?！癟-170M”望遠(yuǎn)鏡捕獲的光將被引導(dǎo)到3個(gè)光譜儀，對(duì)102～310納米的波長(zhǎng)特別敏感。它們記錄來(lái)自宇宙等離子體的輻射，具有幾萬(wàn)開(kāi)爾文的溫度和所有重要原子和分子，如H2、CO、OH等的原子的躍遷線。這種能力將允許一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究星系的形成，分析太陽(yáng)系外的行星和原行星盤的大氣。

“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡配備3臺(tái)科學(xué)儀器：高分辨率雙光譜儀，55000光譜102～320nm范圍內(nèi)；長(zhǎng)狹縫低分辨率光譜儀，光譜在102-320nm范圍內(nèi)，包括3個(gè)通道：高靈敏度遠(yuǎn)紫外通道、遠(yuǎn)紫外通道和近紫外通道；成像與無(wú)裂隙光譜儀，進(jìn)行天文物體的紫外和光衍射有限成像。

在任務(wù)的頭2年，“頻譜-紫外”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡將花費(fèi)40%的觀測(cè)時(shí)間用于執(zhí)行俄羅斯科學(xué)委員會(huì)編制的“基本觀測(cè)程序”。50%觀測(cè)時(shí)間將在“頻譜-紫外”號(hào)項(xiàng)目成員國(guó)的天文學(xué)家之間分配，與其國(guó)家的投資成比例。最后，剩余的10%觀測(cè)時(shí)間將用于“開(kāi)放”方案，以履行科學(xué)委員會(huì)在非參與方要求中選定的“未決”建議。

“頻譜-紫外”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡

2012年,科學(xué)家正在組裝“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡。

截至2011年，西班牙、德國(guó)和烏克蘭科學(xué)家宣布參加這次任務(wù)?！邦l譜-紫外”號(hào)的飛行控制和科學(xué)數(shù)據(jù)接收設(shè)施將部署在俄羅斯和西班牙。在2007年～2011年期間，哈薩克和俄羅斯的宇航官員討論了哈薩克斯坦可能建造的地面站，用于接收和處理來(lái)自“頻譜-紫外”號(hào)的數(shù)據(jù)，作為哈薩克斯坦對(duì)該項(xiàng)目的貢獻(xiàn)。

2、研制歷程

“頻譜-紫外”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡像大多數(shù)蘇聯(lián)太空項(xiàng)目一樣，經(jīng)歷了由于資金問(wèn)題和俄羅斯太空計(jì)劃中不斷變化的優(yōu)先順序造成的痛苦、成見(jiàn)和延誤。

2004年，俄羅斯開(kāi)始投入資金，承諾在2008年將“頻譜-紫外”號(hào)發(fā)射到日地連線上、地球外側(cè)約150萬(wàn)公里處的“拉格朗日-L2”點(diǎn)上運(yùn)行。在該位置，“頻譜-紫外”號(hào)將避免恒定地穿過(guò)地球和行星的陰影，并且因此避免超精細(xì)光學(xué)器件發(fā)生較大的溫度波動(dòng)。

然而，在“拉格朗日-L2”點(diǎn)上部署航天器，將需要一個(gè)以上的地面站來(lái)完成控制任務(wù)。這將不可避免地導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目具有較高成本。

于是2006年，“頻譜-紫外”號(hào)的運(yùn)行軌道被更改為高度35786千米、軌道傾角51.6°的地球同步軌道，計(jì)劃于2011年年底搭乘“天頂-3M/巡洋艦-SB”火箭升空，執(zhí)行為期10年的使命。另外，俄羅斯甚至還考慮使用更便宜的中國(guó)“長(zhǎng)征-3B”火箭。

2009年，俄羅斯宣布：“頻譜-紫外”號(hào)發(fā)射任務(wù)最早于2013年執(zhí)行，但關(guān)鍵硬件尚未準(zhǔn)備好，也沒(méi)有地面基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)測(cè)試這些系統(tǒng)。此外，因德國(guó)無(wú)法為一對(duì)紫外光譜儀提供資金，使項(xiàng)目沒(méi)有了關(guān)鍵儀器。而且，“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)的裝配預(yù)計(jì)到2010年才開(kāi)始。

2010年，“頻譜-紫外”號(hào)項(xiàng)目再次推遲到2014年，甚至這個(gè)日期是根據(jù)最樂(lè)觀的情況估計(jì)的。到2011年7月，俄羅斯宇航局新局長(zhǎng)弗拉基米爾·波波金說(shuō)：“頻譜-紫外”號(hào)有希望在2015年發(fā)射。2012年，俄羅斯宇航局下令為“頻譜-紫外”號(hào)制造“質(zhì)子-M/微風(fēng)-M”火箭，完成日期為2014年11月，從而改變了“天頂”火箭發(fā)射計(jì)劃。

同年10月17日，拉沃契金設(shè)計(jì)局宣布：“頻譜-紫外”號(hào)已經(jīng)完成了天線系統(tǒng)的測(cè)試，并完成了整體的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)、振動(dòng)、熱控制系統(tǒng)和運(yùn)輸負(fù)載等測(cè)試。經(jīng)過(guò)多年的延遲，“T-170M”望遠(yuǎn)鏡的飛行版本也正在制造。同時(shí)，俄羅斯科學(xué)院天文學(xué)研究所正在研究科學(xué)光譜儀和相關(guān)電子設(shè)備，計(jì)劃于2013年交付拉沃契金設(shè)計(jì)局。

此時(shí)麻煩又來(lái)了！2014年，俄羅斯侵占烏克蘭的克里米亞，爆發(fā)俄烏危機(jī)，甚至戰(zhàn)爭(zhēng)。“頻譜-紫外”號(hào)項(xiàng)目隨即面臨兩國(guó)關(guān)系惡化導(dǎo)致的新障礙——烏克蘭方無(wú)法繼續(xù)參與研制，盡管雙方的科學(xué)家更愿意繼續(xù)合作。

更重要的是，西方的禁運(yùn)政策限制了“頻譜-紫外”號(hào)關(guān)鍵部件的進(jìn)口?！邦l譜-紫外”號(hào)上的主光譜儀配備了最先進(jìn)的紫外線探測(cè)器，相關(guān)硬件需要從位于英國(guó)的e2v公司購(gòu)買，而e2v公司又依賴美國(guó)的組件。

2016年,拉沃契金設(shè)計(jì)局在組裝“頻譜-紫外”太空望遠(yuǎn)鏡的聚焦結(jié)構(gòu)。

“頻譜-紫外”號(hào)太空望遠(yuǎn)鏡效果圖

從1995年到2016年，“頻譜-紫外”號(hào)的發(fā)射重量從5870千克降到2800千克，有效載荷重量從2500千克降到1600千克；長(zhǎng)度從12.5米降到9.6米；運(yùn)行軌道從“拉格朗日-L2”點(diǎn)改為傾角51.6°的地球同步軌道；設(shè)計(jì)壽命從10年變?yōu)?年；數(shù)據(jù)下行鏈路速率卻從2兆字節(jié)飛升到4兆字節(jié)。變化之大，讓人大跌眼鏡。

2016年8月，俄羅斯電視頻道宣布：拉沃契金設(shè)計(jì)局為“頻譜-紫外”號(hào)定制“導(dǎo)航器”衛(wèi)星平臺(tái)和開(kāi)發(fā)“T-170M”望遠(yuǎn)鏡取得了良好進(jìn)展。然而，“頻譜-紫外”號(hào)的科學(xué)儀器的開(kāi)發(fā)仍然存在許多問(wèn)題，甚至到2021年能否發(fā)射仍然是一個(gè)謎。