張龍 倪潤(rùn)立 顧荃瑩 黃美麗 趙峭 宋江波 王瑤

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

受到地球大氣的吸收,宇宙X射線很難被地面探測(cè),而天體的X射線輻射是研究宇宙結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律的重要載體,并促使空間X射線天文學(xué)成為空間天文學(xué)發(fā)展最快的分支之一[1]。硬X射線天文觀測(cè)相比其它能區(qū)天文觀測(cè)的明顯不足,2012年發(fā)射的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列衛(wèi)星(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,NuSTAR)只能將高能區(qū)拓展到79 ke V[2],而且面積不大,在天體硬X射線時(shí)變探測(cè)方面能力受到限制。

HXMT衛(wèi)星裝有既能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)快速成像,又可以對(duì)特殊天體進(jìn)行高統(tǒng)計(jì)量高精度觀測(cè)的硬X射線望遠(yuǎn)鏡,可以為我們提供研究極端物理?xiàng)l件下的物理規(guī)律提供重要的新手段。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星需要長(zhǎng)期對(duì)宇宙X射線進(jìn)行觀測(cè),這就導(dǎo)致衛(wèi)星沒有固定的對(duì)地面,對(duì)地球、太陽等的相對(duì)姿態(tài)變化大,帶來衛(wèi)星能源、測(cè)控、數(shù)傳、熱控等方面的設(shè)計(jì)困難,因此需要衛(wèi)星方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),降低各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束和難度。衛(wèi)星裝載我國(guó)自主研制的空間X射線望遠(yuǎn)鏡載荷,解決了空間硬X射線成像探測(cè)難題,實(shí)現(xiàn)了寬譜段、大有效面積和高時(shí)間分辨率的空間X射線探測(cè)和國(guó)際領(lǐng)先的200 keV～3 MeV能區(qū)伽馬暴監(jiān)測(cè)。通過衛(wèi)星在軌測(cè)試以及正式使用,衛(wèi)星各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足任務(wù)需求要求,同時(shí)因其具有在寬能區(qū)X射線探測(cè)能力,而成為我國(guó)乃至國(guó)際上重要的X射線空間天文設(shè)備。

本文根據(jù)HXMT衛(wèi)星的需求特點(diǎn),概述了解決上述問題的解決思路和衛(wèi)星配置,重點(diǎn)針對(duì)硬X射線成像觀測(cè)、慣性空間下的觀測(cè)模式設(shè)計(jì)、測(cè)控?cái)?shù)傳天線解決方案等衛(wèi)星特點(diǎn)和難點(diǎn)問題解決方案進(jìn)行了論述,通過衛(wèi)星在軌測(cè)試表明,衛(wèi)星各項(xiàng)指標(biāo)滿足任務(wù)要求。

1 衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方案概述

HXMT衛(wèi)星基于任務(wù)特點(diǎn),充分借鑒了中國(guó)空間技術(shù)研究院的成熟衛(wèi)星技術(shù),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)和創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)期慣性空間定向觀測(cè)衛(wèi)星的總體方案設(shè)計(jì)。衛(wèi)星采用分艙設(shè)計(jì),承力結(jié)構(gòu)采用中心承力筒加蜂窩夾層板結(jié)構(gòu),外形呈立方體構(gòu)型,分為服務(wù)艙和載荷艙、太陽翼、對(duì)接段和星箭連接分離裝置等部分。衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)如圖1所示,在軌飛行狀態(tài)見圖2。為了提高衛(wèi)星探測(cè)靈敏度和有效觀測(cè)時(shí)間,降低空間環(huán)境對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生的本底,同時(shí)考慮測(cè)控、數(shù)傳以及燃料消耗等約束,衛(wèi)星選擇了傾角43°,軌道高度550 km的圓軌道,可有效避開范艾倫帶及空間環(huán)境的影響。圖3所示為不同軌道傾角下電子和質(zhì)子對(duì)有效觀測(cè)時(shí)間影響。整星能源采用太陽翼加蓄電池聯(lián)合供電體制,為整星提供28 V供電,二次電源采用集中管理和分散管理相結(jié)合的配電體制,由主配電器完成整星一次電源分配;直流/直流變換器提供二次電源?？刂葡到y(tǒng)采用三軸穩(wěn)定控制及單組元推進(jìn)系統(tǒng),配置6臺(tái)25 N·m·s的動(dòng)量輪以及3個(gè)200 A·m2的磁力矩器,實(shí)現(xiàn)大角度、可變速率姿態(tài)機(jī)動(dòng)。為了解決全空間無固定對(duì)地面觀測(cè)任務(wù)的測(cè)控問題,采用兩臺(tái)USB應(yīng)答機(jī),4副天線兩兩組陣實(shí)現(xiàn)全空間測(cè)控,使用雙GPS天線合路方式,保證衛(wèi)星任意姿態(tài)下的定位和校時(shí),絕對(duì)時(shí)間精度優(yōu)于10μs。通過整星觀測(cè)模式設(shè)計(jì)以及遮陽板的使用,保障了望遠(yuǎn)鏡載荷熱環(huán)境,采用多級(jí)隔熱、重點(diǎn)設(shè)備主動(dòng)加熱、載荷與熱控一體化設(shè)計(jì)以及深冷熱管的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高能望遠(yuǎn)鏡的高精度控溫(18℃±2℃),中能望遠(yuǎn)鏡(－50～－10℃)和低能望遠(yuǎn)鏡(－80～－42℃)的低溫控制。

圖1 衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite launch status

圖2 衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic daigram of satellite on orbit flight condition

圖3 550 km高度不同傾角質(zhì)子和電子導(dǎo)致無效觀測(cè)時(shí)間占比Fig.3 Influence of proton and electron at different altitude angles of 550km altitude

根據(jù)科學(xué)目標(biāo)任務(wù)[3],衛(wèi)星有效載荷配置18個(gè)主探測(cè)器、3個(gè)中能探測(cè)器、3個(gè)低能探測(cè)器以及1個(gè)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器等4類載荷,實(shí)現(xiàn)觀測(cè)能區(qū)覆蓋1～250 ke V,角分辨率優(yōu)于5′,探測(cè)靈敏度優(yōu)于0.5 mCrab(105s),定位精度優(yōu)于1′,能量分辨率優(yōu)于19%(在60 keV時(shí))的空間X射線觀測(cè)以及衛(wèi)星所處空間環(huán)境的測(cè)量。利用寬波束角數(shù)傳天線設(shè)計(jì)、變速率數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)60 Mbit/s或120 Mbit/s數(shù)傳傳輸速率的任意對(duì)地姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸,結(jié)合衛(wèi)星配置2×512 Gbyte大容量固態(tài)存儲(chǔ)器以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下傳策略設(shè)計(jì)滿足載荷在軌數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下傳的不同要求。

1.2 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)

HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌后,在測(cè)控系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下,通過對(duì)1～250 ke V能區(qū)的X射線以及200 keV～3 MeV伽馬暴的天文觀測(cè)可以完成對(duì)眾多天體目標(biāo)及其天體現(xiàn)象深入全面的科學(xué)研究。衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The key technical parameters of HXMT satellite

2 衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)

2.1 大視場(chǎng)、準(zhǔn)直型X射線成像技術(shù)

相比低能區(qū),高能區(qū)X射線成像困難得多。20世紀(jì)90年代歐洲和美國(guó)先后開始研制編碼孔徑成像的硬X射線衛(wèi)星,如“國(guó)際伽馬射天文實(shí)驗(yàn)室”(INTEGRAL)、伽馬暴快速反應(yīng)探測(cè)器(Swift)等[4-5]。我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)90年代初提出直接解調(diào)方法[6],用簡(jiǎn)單成熟的準(zhǔn)直型無成像功能硬件技術(shù)組合可以實(shí)現(xiàn)高分辨和高靈敏度成像觀測(cè)。與復(fù)雜和昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比,HXMT衛(wèi)星采用此方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)直型探測(cè)器,并結(jié)合衛(wèi)星的掃描模式獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)直接解調(diào)成像,角分辨率優(yōu)于1.41′,對(duì)X射線源的定位精度優(yōu)于44″,遠(yuǎn)好于Swift衛(wèi)星暴發(fā)警示望遠(yuǎn)鏡(Burst Alert Telescope,BAT)的17′角分辨率[7]。

2.2 X射線源高精度定位技術(shù)

HXMT衛(wèi)星重要任務(wù)之一是監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)X射線源,需要對(duì)X射線源進(jìn)行高精度定位,并引導(dǎo)地面和空間觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。為此,衛(wèi)星總體從系統(tǒng)頂層對(duì)影響定位精度的因素進(jìn)行分析,針對(duì)X射線成像觀測(cè)特點(diǎn),對(duì)各環(huán)節(jié)如望遠(yuǎn)鏡成像精度、衛(wèi)星指向精度、時(shí)間同步精度等進(jìn)行分解,并重點(diǎn)對(duì)影響定位精度的星敏支架、望遠(yuǎn)鏡主結(jié)構(gòu)、望遠(yuǎn)鏡的成像影響因素等進(jìn)行了機(jī)、熱一體化的分析和仿真,結(jié)果表明衛(wèi)星對(duì)X射線源的定位精度優(yōu)于51″,在軌評(píng)估定位精度44″,滿足任務(wù)1′的指標(biāo)要求。在工程研制過程中,利用整星驗(yàn)證試驗(yàn)開展衛(wèi)星熱變形測(cè)量,驗(yàn)證了X射線源定位設(shè)計(jì)的正確性。

2.3 慣性空間定向下的多工作模式設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星的多科學(xué)目標(biāo)要求衛(wèi)星具有多種觀測(cè)模式,各種觀測(cè)模式間需要設(shè)計(jì)相互切換,同時(shí)還需要兼顧整星的能源、熱控等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。據(jù)此,衛(wèi)星設(shè)計(jì)了巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)觀測(cè)等觀測(cè)模式,分別滿足全天球巡天監(jiān)視成像、對(duì)X射線源長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)、對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)和成像、對(duì)銀道面多次覆蓋掃描觀測(cè)以及對(duì)伽馬暴的監(jiān)測(cè)等任務(wù),同時(shí)根據(jù)載荷和平臺(tái)的維護(hù)需求,設(shè)計(jì)了載荷定標(biāo)觀測(cè)模式和軌道控制工作模式,適應(yīng)望遠(yuǎn)鏡載荷在軌標(biāo)定的特殊需求和衛(wèi)星軌道控制時(shí)載荷和衛(wèi)星平臺(tái)的約束要求。圖4所示為對(duì)日定向巡天觀測(cè)等效示意圖,通過衛(wèi)星對(duì)日慢旋轉(zhuǎn)以及太陽的周年運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)全天球的巡天,同時(shí)保證了衛(wèi)星的能源、熱控、數(shù)傳的設(shè)計(jì)。為了保證衛(wèi)星多工作模式下的好用易用性,對(duì)各種工作模式及其切換進(jìn)行參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì),用戶只需對(duì)觀測(cè)模式、觀測(cè)參數(shù)以及模式切換方式進(jìn)行選擇和設(shè)置即可完成觀測(cè)任務(wù)設(shè)定。

圖4 對(duì)日定向巡天觀測(cè)等效示意圖Fig.4 Sketch diagram of sky survey mode

2.4 無固定對(duì)地面的對(duì)地測(cè)控?cái)?shù)傳天線設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星主要采用慣性空間定向姿態(tài),且空間指向范圍覆蓋全天球任意方向。星體可能以任意指向?qū)Φ?因此為保證對(duì)地的測(cè)控和數(shù)傳以及對(duì)天的GPS的指向要求,衛(wèi)星采用了全向測(cè)控、數(shù)傳天線設(shè)計(jì)。為此測(cè)控任務(wù)采用4副天線,兩兩組陣,可實(shí)現(xiàn)上行鏈路的全空間覆蓋。GPS采用兩個(gè)天線組陣的形式實(shí)現(xiàn)近全空間覆蓋,以確保在任意姿態(tài)都能夠捕獲到足夠多顆GPS衛(wèi)星,確保定位。

為了保證可數(shù)傳時(shí)間以及鏈路質(zhì)量,HXMT衛(wèi)星上設(shè)計(jì)了兩副寬波束均勻增益數(shù)傳天線,兩副天線可實(shí)現(xiàn)全空間分時(shí)覆蓋。在軌期間根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)地條件好的天線作為當(dāng)班天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過以上設(shè)計(jì),保證了衛(wèi)星不間斷科學(xué)觀測(cè)任務(wù)的測(cè)控、數(shù)傳任務(wù)以及高精度時(shí)間需求。

2.5 同結(jié)構(gòu)大溫差載荷溫度控制設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星主載荷為高能望遠(yuǎn)鏡(18℃±2℃)、中能望遠(yuǎn)鏡(－50～－10℃)、低能望遠(yuǎn)鏡(－80～－42℃),3種載荷安裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)面上,為了在一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)上滿足溫差達(dá)60℃的溫度指標(biāo)要求,衛(wèi)星開展如下工作:

(1)通過衛(wèi)星觀測(cè)模式設(shè)計(jì)以及遮陽板設(shè)計(jì),保證有效載荷具有相對(duì)穩(wěn)定的外熱流環(huán)境和固定散熱面空間。

(2)對(duì)高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡采用一體化的多級(jí)隔熱措施,在望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)之初將熱設(shè)計(jì)作為重要設(shè)計(jì)約束條件考慮,保證熱設(shè)計(jì)的針對(duì)性和有效性,降低了不同望遠(yuǎn)鏡之間的熱耦合效應(yīng)。

(3)增加望遠(yuǎn)鏡整體及單體望遠(yuǎn)鏡的散熱面積,充分利用望遠(yuǎn)鏡自身結(jié)構(gòu)和探測(cè)器安裝特點(diǎn),將望遠(yuǎn)鏡的散熱面積最大化,同時(shí)利用合理熱管布局,特別是深冷熱管的應(yīng)用,保障了中能和低能望遠(yuǎn)鏡的低溫需求和溫度均勻性需求。

2.6 適應(yīng)載荷長(zhǎng)期工作的自主安全設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡載荷長(zhǎng)期開機(jī)、時(shí)間精度要求高、觀測(cè)模式多、自主控制復(fù)雜且衛(wèi)星具有長(zhǎng)期不過境(12 h)等特點(diǎn),衛(wèi)星設(shè)計(jì)了多種自主安全管理措施。針對(duì)載荷長(zhǎng)期開機(jī)下的數(shù)傳和存儲(chǔ)空間環(huán)境適應(yīng)性開展專項(xiàng)設(shè)計(jì),核心控制和參數(shù)存儲(chǔ)采取了全三模設(shè)計(jì),并開展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)時(shí)間精度要求高,對(duì)GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)了自主加斷電設(shè)計(jì);針對(duì)衛(wèi)星經(jīng)過南大西洋異常(SAA)區(qū)設(shè)計(jì)了SAA區(qū)載荷自主保護(hù)設(shè)計(jì);針對(duì)星上自主執(zhí)行觀測(cè)規(guī)劃,對(duì)輸入目標(biāo)合理性要求高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了觀測(cè)目標(biāo)智能判斷以及載荷溫度異常升高自主處理功能,通過以上自主安全功能的設(shè)計(jì),既可以保障望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)期在軌穩(wěn)定不間斷觀測(cè),同時(shí)可對(duì)衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間不在測(cè)控區(qū)的故障進(jìn)行自主處理,保證衛(wèi)星的安全。衛(wèi)星在軌1年多的時(shí)間里,尚未發(fā)生異常觸發(fā)自主安全設(shè)計(jì)功能的事件。

2.7 多頻段、大視場(chǎng)、高靈敏望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)

HXMT衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡載荷是我國(guó)首臺(tái)大型空間X射線探測(cè)設(shè)備,其具備寬譜段能力,低能望遠(yuǎn)鏡覆蓋1～15 ke V,中能望遠(yuǎn)鏡覆蓋5～30 ke V,高能望遠(yuǎn)鏡覆蓋20～250 ke V,同時(shí)具有軟伽馬射線探測(cè)能力200 ke V～3 Me V;望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)分別為5.7°×5.7°、4°×4°和4°×6°,在保證大視場(chǎng)的同時(shí)望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)靈敏度達(dá)到0.5 m Crab(105s)。三種望遠(yuǎn)鏡均采用準(zhǔn)直器作為光子收集前端,中能和低能望遠(yuǎn)鏡采用硅探測(cè)器,高能望遠(yuǎn)鏡采用復(fù)合晶體探測(cè)器。在研制過程中攻克了高能望遠(yuǎn)鏡大信號(hào)問題、晶體封裝,中能望遠(yuǎn)鏡大面積Si-PIN探測(cè)器技術(shù),低能望遠(yuǎn)鏡熱控技術(shù)及遮光膜技術(shù)等難點(diǎn)。

3 在軌使用效能

HXMT衛(wèi)星于2017年6月15日發(fā)射入軌,至2017年11月,先后完成了衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試、有效載荷初始工作狀態(tài)設(shè)置、有效載荷功能性能測(cè)試以及工作參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化、地面應(yīng)用系統(tǒng)天地一體化測(cè)試、在軌標(biāo)定和衛(wèi)星初步應(yīng)用等測(cè)試工作。在軌測(cè)試結(jié)果表明,衛(wèi)星各項(xiàng)功能、性能滿足衛(wèi)星工程研制總要求,有效載荷工作原理和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)得到驗(yàn)證,取得了初步科學(xué)成果,表明衛(wèi)星工程系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)預(yù)期科學(xué)目標(biāo)的能力。

目前衛(wèi)星已在軌運(yùn)行1周年,完成了對(duì)核心科學(xué)目標(biāo)源的觀測(cè),包括:全銀道面、脈沖星、超新星遺跡、黑洞雙星、中子星雙星、銀河系外天體源和空天區(qū)。目前,HXMT衛(wèi)星已對(duì)45個(gè)核心目標(biāo)天體進(jìn)行了多輪次定點(diǎn)觀測(cè);對(duì)銀道面全部22個(gè)區(qū)域進(jìn)行了508次小天區(qū)掃描觀測(cè)[8];對(duì)蟹狀星云天區(qū)進(jìn)行了9次小天區(qū)掃描觀測(cè);同時(shí)測(cè)試了巡天掃描模式。獲得了引力波電磁對(duì)應(yīng)體監(jiān)測(cè)、伽馬暴的發(fā)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)初步科學(xué)成果[1]。

4 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星作為我國(guó)首顆X射線天文觀測(cè)衛(wèi)星,突破了準(zhǔn)直型X射線載荷成像技術(shù)、全空間觀測(cè)下的多觀測(cè)模式設(shè)計(jì)及全空間測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了具有多波段、大視場(chǎng)、高靈敏度觀測(cè)特點(diǎn)的X射線觀測(cè)衛(wèi)星在軌實(shí)施,結(jié)束了我國(guó)空間X射線天文研究只能使用國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史,推動(dòng)了我國(guó)空間高能物理的研究。

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