潘騰 盧方軍 倪潤(rùn)立 尤睿 張龍 徐玉朋
(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)
我國(guó)于20世紀(jì)90年代初提出硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星實(shí)施空間X射線探測(cè)任務(wù)[1]。該衛(wèi)星于2011年3月正式立項(xiàng),于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射并在軌運(yùn)行,標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)在X射線探測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破,其星載有效載荷是一臺(tái)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,為科學(xué)家研究極端物理?xiàng)l件下的物理規(guī)律提供重要的新手段,使我國(guó)在國(guó)際空間高能天體物理觀測(cè)領(lǐng)域占有重要的一席之地。HXMT衛(wèi)星是國(guó)家航天局牽頭立項(xiàng)研制,中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬的中國(guó)空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)衛(wèi)星研制,中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所負(fù)責(zé)有效載荷的研制和科學(xué)應(yīng)用部分的研究工作[2]。
衛(wèi)星主要任務(wù)是:①完成大天區(qū)掃描成像及重點(diǎn)天區(qū)變?cè)从^測(cè);②對(duì)銀河系內(nèi)黑洞和中子星進(jìn)行長(zhǎng)期高頻次監(jiān)測(cè);③高流強(qiáng)銀河系內(nèi)黑洞和中子星的高統(tǒng)計(jì)量觀測(cè);④監(jiān)測(cè)伽馬暴等任務(wù)。用于發(fā)現(xiàn)新的高能變?cè)春鸵阎吣芴祗w的新活動(dòng),理解黑洞和中子星系統(tǒng)的活動(dòng)、演化機(jī)制及其基本性質(zhì);理解高能劇烈爆發(fā)天體的基本屬性,研究宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡以及中子星并合等過(guò)程中黑洞的形成和演化機(jī)制。
1)軌道傾角
HXMT衛(wèi)星探測(cè)器的探測(cè)靈敏度與衛(wèi)星所處的高能質(zhì)子通量直接相關(guān),為了使實(shí)際觀測(cè)靈敏度高,應(yīng)盡量選擇高能質(zhì)子平均通量低的軌道傾角。圖1給出了不同傾角的軌道上衛(wèi)星經(jīng)受的平均高能質(zhì)子通量,它和衛(wèi)星經(jīng)過(guò)南大西洋異常(SAA)區(qū)的時(shí)間和在SAA區(qū)中經(jīng)受的高能質(zhì)子通量均成正比。因此為了盡可能減小SAA區(qū)的影響,應(yīng)盡量使衛(wèi)星運(yùn)行在穿越SAA區(qū)時(shí)間短、高能質(zhì)子通量低的軌道上。
從圖1可以看出,高能質(zhì)子環(huán)境在軌道傾角35°附近達(dá)到峰值,選用軌道時(shí)應(yīng)該盡量避開(kāi)。模擬計(jì)算表明采用43°傾角軌道時(shí),除過(guò)SAA區(qū)外,高能望遠(yuǎn)鏡的靈敏度約為0.5 mCrab(在100 ke V,105s),能滿(mǎn)足HXMT衛(wèi)星定點(diǎn)和巡天觀測(cè)靈敏度的要求。(高能天文中通常用蟹狀星云Crab的流強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)單位,表征每秒在單位面積上記錄的某一天體在某個(gè)能區(qū)的光子數(shù)。)當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角小于20°時(shí),雖然可以顯著縮短衛(wèi)星經(jīng)過(guò)SAA區(qū)的時(shí)間以及衛(wèi)星在SAA區(qū)所經(jīng)受的荷電粒子通量,但是由于我國(guó)地面站地理緯度較高,會(huì)影響星上數(shù)據(jù)下傳。綜合權(quán)衡各種限制條件,考慮到我國(guó)最北衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)的地理位置和現(xiàn)有測(cè)控?cái)?shù)傳臺(tái)站,考慮選擇衛(wèi)星的軌道傾角為43°。
圖1 550 km圓軌道不同軌道傾角時(shí)衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境平均質(zhì)子通量Fig.1 Average proton flux in a 550km orbit with different inclination angles
2)軌道高度
為了降低探測(cè)器本底噪聲,軌道高度的選擇應(yīng)盡可能低。當(dāng)軌道高度大于600 km時(shí),衛(wèi)星運(yùn)行將通過(guò)范-艾倫輻射帶,從而使本底噪聲增加,同時(shí)軌道越高帶電粒子的本底也越高,影響探測(cè)器掃描成像觀測(cè),因此衛(wèi)星的軌道高度應(yīng)選擇小于600 km的軌道。圖2所示為軌道高度對(duì)衛(wèi)星本底的影響。
圖2 軌道高度對(duì)本底的影響Fig.2 Background with different orbit altitude
隨著軌道高度降低衛(wèi)星受到的地球紅外熱流和反照熱流將增大,會(huì)導(dǎo)致具有低溫要求的衛(wèi)星有效載荷溫度升高,表1為不同軌道高度對(duì)低溫有效載荷的溫度影響。由表1可以看出,為滿(mǎn)足有效載荷的低溫要求衛(wèi)星軌道應(yīng)在540 km以上。因此,考慮衛(wèi)星的軌道高度選擇550 km。
表1 不同軌道高度下低能和中能探測(cè)器溫度(高溫工況)Table 1 Low energy and medium energy detector’s temperature with different orbit altitude(high temperature)
衛(wèi)星設(shè)計(jì)了4種主要觀測(cè)模式,以滿(mǎn)足多種任務(wù)需求。
(1)巡天觀測(cè)模式,用于衛(wèi)星對(duì)全天球的掃描成像觀測(cè),監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)新源或天體暴發(fā)現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)方法為衛(wèi)星指向太陽(yáng),并以對(duì)日軸慢速旋轉(zhuǎn),通過(guò)軌道面進(jìn)動(dòng)以及地球繞太陽(yáng)的周年運(yùn)動(dòng)完成望遠(yuǎn)鏡對(duì)全天球的覆蓋觀測(cè)。
(2)小天區(qū)觀測(cè)模式,用于對(duì)重要天區(qū)進(jìn)行深度曝光及成像觀測(cè),以達(dá)到更高靈敏度,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更多的X射線源。實(shí)現(xiàn)方法為衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡以某一天區(qū)域中心點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)的掃描觀測(cè),實(shí)現(xiàn)增加探測(cè)時(shí)間的目的。在小天區(qū)觀測(cè)模式下,通過(guò)多個(gè)小天區(qū)觀測(cè)疊加觀測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)銀道面的多次覆蓋,來(lái)研究和監(jiān)測(cè)銀道面X射線源的變化和暴發(fā)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)銀道面觀測(cè)任務(wù)。
(3)定點(diǎn)觀測(cè)模式,用于對(duì)X射線雙星和X射線脈沖星進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè),獲得其時(shí)變及能譜數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)方法為衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)源保持慣性三軸穩(wěn)定狀態(tài),最長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)20天的連續(xù)觀測(cè)。
(4)伽馬暴觀測(cè)模式,用于監(jiān)測(cè)天體伽馬暴發(fā)出的硬X/軟伽馬射線。實(shí)現(xiàn)方法為衛(wèi)星的姿態(tài)狀態(tài)為定點(diǎn)觀測(cè)模式,通過(guò)降低主探測(cè)器光電倍增管的高壓,將碘化銫晶體的探測(cè)能區(qū)從40~600 ke V改為200 ke V~3 MeV。
以上是從科學(xué)觀測(cè)的角度提出了4種工作模式,由于載荷和平臺(tái)自身的維護(hù)也具有特殊的要求,如載荷定標(biāo)以及軌道控制等,經(jīng)過(guò)初步分析以上4種工作模式無(wú)法涵蓋其需求,因此還需要增加載荷定標(biāo)模式和軌控模式,如圖3所示。綜上,HXMT任務(wù)需要設(shè)計(jì)6種工作模式才能滿(mǎn)足整個(gè)飛行任務(wù)的需求。
圖3 HXMT衛(wèi)星工作模式需求Fig.3 HXMT satellite working mode demand
HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)由有效載荷、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、電源、總體電路、控制、推進(jìn)、數(shù)傳、熱控、測(cè)控、數(shù)管、數(shù)據(jù)記錄及天線等12個(gè)分系統(tǒng)組成,系統(tǒng)組成如圖4所示。衛(wèi)星構(gòu)型采用模塊化設(shè)計(jì),將分為5個(gè)模塊,服務(wù)艙、載荷艙、太陽(yáng)翼、對(duì)接段和星箭連接分離裝置。其中服務(wù)艙主要布置衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備,包括控制推進(jìn)、電源、測(cè)控等分系統(tǒng)設(shè)備,載荷艙布置望遠(yuǎn)鏡及其電子設(shè)備,衛(wèi)星構(gòu)型如圖5所示。
圖4 衛(wèi)星系統(tǒng)組成Fig.4 Satellite system composition
圖5 HXMT衛(wèi)星構(gòu)成示意圖Fig.5 HXMT satellite composition diagram
HXMT衛(wèi)星有效載荷分系統(tǒng)部分由4個(gè)有效載荷組成,包括高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器。
衛(wèi)星高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡均采用準(zhǔn)直型光學(xué)系統(tǒng)。為了保證望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)指向要求將3種望遠(yuǎn)鏡集中安裝在同一個(gè)整體支撐結(jié)構(gòu)上,其中:中能和低能望遠(yuǎn)鏡各由3個(gè)互成60°的探測(cè)器單體組成;高能望遠(yuǎn)鏡由18個(gè)成陣列排列的探測(cè)器單體組成,高能望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直器安裝于載荷主結(jié)構(gòu)上板中心區(qū)域,高能望遠(yuǎn)鏡主探測(cè)器單體安裝于載荷主結(jié)構(gòu)中板,如圖6所示。
高能望遠(yuǎn)鏡由18個(gè)碘化鈉/碘化銫(NaI/CsI)單體模塊,光電倍增光及后端電子學(xué)組成。總幾何面積約5000 cm2,觀測(cè)能區(qū)范圍20~250 ke V,能量分辨率優(yōu)于19%(在60 ke V時(shí)),如圖7所示。
圖6 有效載荷示意圖Fig.6 Schematic diagram of payload
圖7 高能望遠(yuǎn)鏡單體模塊結(jié)構(gòu)Fig.7 Composition of single high energy telescope
中能望遠(yuǎn)鏡采用Si-PIN探測(cè)器,其觀測(cè)能區(qū)為5~30 keV,能量分辨率14.5%(在20 keV時(shí)),共計(jì)1728路探測(cè)器通過(guò)ASIC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出,總探測(cè)面積952 cm2,如圖8所示。
低能望遠(yuǎn)鏡采用掃式電荷器件(Swept Charger Device,SCD)探測(cè)器,觀測(cè)能區(qū)為1~15 ke V,能量分辨率為2.4%(在5.9 ke V時(shí)),總探測(cè)面積為384 cm2,如圖9所示。
空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器安裝衛(wèi)星載荷艙+Z方向,主要功能為監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌工作期間的空間電子(能譜范圍≥0.4 Me V)和質(zhì)子環(huán)境(能譜范圍≥3 Me V),為衛(wèi)星在軌運(yùn)行本底的估計(jì)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí)為保障載荷和衛(wèi)星在軌運(yùn)行安全提供數(shù)據(jù),如圖10所示。
圖8 中能望遠(yuǎn)鏡組成Fig.8 Composition of medium energy telescope
圖9 低能望遠(yuǎn)鏡組成Fig.9 Composition of low energy telescope
圖10 空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器組成Fig.10 Composition of space environment monitor
1)供配電設(shè)計(jì)
HXMT衛(wèi)星電源分系統(tǒng)針對(duì)衛(wèi)星載荷長(zhǎng)期在軌工作的特點(diǎn),選用太陽(yáng)電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng),采用全調(diào)節(jié)母線以保證對(duì)軌道和負(fù)載的良好適應(yīng)能力,充電陣和供電陣單獨(dú)設(shè)計(jì),保證了長(zhǎng)期大負(fù)載情況下整星的能源平衡。充電陣經(jīng)充電控制器給蓄電池組充電,供電陣經(jīng)開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器給母線供電,在峰值負(fù)載和地影期,蓄電池組經(jīng)放電調(diào)節(jié)器給母線供電。供配電組成框圖如圖11所示。
2)控制設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)以分系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)為核心,在姿態(tài)確定上采用陀螺和星敏感器相結(jié)合的卡爾曼濾波方法,并通過(guò)星敏感器與載荷中心光軸同向安裝,以及星敏感器間相對(duì)安裝偏差進(jìn)行在軌估計(jì),實(shí)現(xiàn)載荷的高精度指向;在姿態(tài)控制上采用三軸輪控與磁力矩器卸載相結(jié)合方案,保證了衛(wèi)星各種工作模式下的姿態(tài)機(jī)動(dòng)和穩(wěn)定;太陽(yáng)敏感器主要用于入軌初期和在軌應(yīng)急狀態(tài)下的捕獲太陽(yáng)建立對(duì)日姿態(tài),衛(wèi)星的軌道維持由20 N發(fā)動(dòng)機(jī)并輔助5 N推力器控制??刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖12所示。
圖11 HXMT衛(wèi)星供配電組成框圖Fig.11 HXMT satellite power supply and distribution diagram
圖12 HXMT衛(wèi)星控制系統(tǒng)組成框圖Fig.12 HXMT satellite AOCS diagram
3)信息流設(shè)計(jì)
數(shù)管分系統(tǒng)以系統(tǒng)中央單元(CTU)為核心,基于1553B串行數(shù)據(jù)總線的分級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),完成在軌運(yùn)行調(diào)度和綜合信息處理,對(duì)星上各個(gè)任務(wù)運(yùn)行進(jìn)行高效可靠的管理和控制,監(jiān)視整星狀態(tài),協(xié)調(diào)整星的工作,對(duì)有效載荷進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)整星內(nèi)信息統(tǒng)一處理和共享的一體化電子系統(tǒng),衛(wèi)星信息流如圖13所示。完成了望遠(yuǎn)鏡健康異常自主管理、南大西洋異常(SAA)區(qū)、GPS接收機(jī)單粒子翻轉(zhuǎn)與鎖定自主監(jiān)測(cè)和恢復(fù)、數(shù)傳天線自主使用等自主管理與控制,提升了衛(wèi)星在軌智能化水平和好用易用性。
有效載荷與衛(wèi)星平臺(tái)之間通過(guò)數(shù)管1553B總線實(shí)現(xiàn)指令、遙測(cè)和數(shù)據(jù)接口,平臺(tái)直接給各有效載荷提供28 V的一次電源。有效載荷與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接口見(jiàn)圖14。
圖14 HXMT有效載荷數(shù)據(jù)接口原理框圖Fig.14 Schematic diagram of payload data interface
根據(jù)任務(wù)規(guī)劃,在整個(gè)任務(wù)周期飛行程序中的主要事件包括:建立入軌狀態(tài)、在軌測(cè)試、巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)、小天區(qū)觀測(cè),根據(jù)任務(wù)需要,其間還穿插著軌道維持、姿態(tài)機(jī)動(dòng)等動(dòng)作。
衛(wèi)星發(fā)射以來(lái),HXMT衛(wèi)星開(kāi)展了多個(gè)天區(qū)X射線源的掃描成像觀測(cè)和對(duì)特定天體的定點(diǎn)觀測(cè)以及伽馬暴監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了衛(wèi)星的各項(xiàng)功能和性能,取得了銀道面掃描成像觀測(cè)、黑洞及中子星雙星觀測(cè)、伽馬暴、引力波電磁對(duì)應(yīng)體探測(cè)等初步科學(xué)成果。圖15為銀道面掃描形成的天區(qū)覆蓋圖,在軌觀測(cè)2100 s可達(dá)的探測(cè)靈敏度為6 mCrab。
作為我國(guó)首顆大型天文觀測(cè)衛(wèi)星,衛(wèi)星采用直接解調(diào)成像方法[3],解決了低成本探測(cè)器高精度成像問(wèn)題,硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡探測(cè)載荷種類(lèi)全,包括高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡,能區(qū)1~250 keV,基本覆蓋整個(gè)X射線譜段;探測(cè)載荷規(guī)模大,在世界現(xiàn)有X射線天文衛(wèi)星中,具有先進(jìn)的暗弱變?cè)囱蔡炷芰?、?dú)特的多波段快速光變觀測(cè)能力;具有全天球掃描、目標(biāo)定點(diǎn)凝視、小天區(qū)深度掃描和伽馬暴探測(cè)等多種探測(cè)模式,實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)無(wú)固定對(duì)地面慣性空間定向姿態(tài)控制機(jī)動(dòng)狀態(tài)下,復(fù)雜的熱控保障、對(duì)地測(cè)控與數(shù)傳保障、以及載荷長(zhǎng)期工作下的能源保障的能力;衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬暴的全天監(jiān)測(cè),成為國(guó)際上在200 ke V~3 Me V能區(qū)面積最大的伽馬暴探測(cè)器,對(duì)伽馬暴和引力波暴電磁對(duì)應(yīng)體的觀測(cè)具有重要意義。
HXMT衛(wèi)星在明確科學(xué)任務(wù)需求的基礎(chǔ)上,圍繞望遠(yuǎn)鏡載荷的需求開(kāi)展衛(wèi)星任務(wù)和方案設(shè)計(jì)以及X射線望遠(yuǎn)鏡與平臺(tái)之間的匹配性研究,根據(jù)衛(wèi)星在軌測(cè)試的結(jié)果以及國(guó)外相同類(lèi)型衛(wèi)星美國(guó)“羅西X射線時(shí)變探測(cè)”(RXTE)衛(wèi)星的高能X射線時(shí)變探測(cè)器(HEXTE)載荷[4-5]和印度“天文學(xué)衛(wèi)星”(ASTROSAT)的大面積氙氣正比計(jì)數(shù)器(LAXPC)[6]載荷的比較,衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)國(guó)際同類(lèi)衛(wèi)星水平,如表2所示。
表2 HXMT衛(wèi)星與國(guó)際同類(lèi)衛(wèi)星高能載荷性能指標(biāo)比對(duì)Table 2 Characteristics comparison between HXMT satellite and foreign satellites
通過(guò)系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化,HXMT衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了寬譜段、高靈敏度、高空間分辨率X射線掃描成像和定點(diǎn)觀測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀道面、銀心和核球的22個(gè)區(qū)域進(jìn)行了掃描巡天(見(jiàn)圖15),對(duì)192個(gè)爆發(fā)源和變?cè)催M(jìn)行了流量演化情況監(jiān)測(cè),利用其擴(kuò)展到200 keV~3 MeV能區(qū)的探測(cè)能力,獲得新的伽馬暴及其它暴發(fā)現(xiàn)象的能譜和時(shí)變觀測(cè)數(shù)據(jù),并成功監(jiān)測(cè)到引力波高能電磁對(duì)應(yīng)體。圖16為HXMT衛(wèi)星單獨(dú)發(fā)現(xiàn)的伽馬暴(參考時(shí)刻為2017-09-18T21:43:35編號(hào)為GRB170918A)。
圖16 HXMT衛(wèi)星單獨(dú)發(fā)現(xiàn)的GRB170918A伽馬暴Fig.16 Gammaburst(GRB170918A)found by HXMT satellite
在世界矚目的雙中子星并合引力波[8]觀測(cè)任務(wù)中,HXMT衛(wèi)星作為空間4個(gè)伽馬射線觀測(cè)設(shè)備之一,成功的對(duì)引力波GW170817事件進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。圖17為HXMT衛(wèi)星引力波發(fā)生前后高能望遠(yuǎn)鏡探測(cè)伽馬暴的光變曲線(參考時(shí)刻2017-08-17T 12:41:06為GRB170817A觸發(fā)費(fèi)米衛(wèi)星探測(cè)器時(shí)間),盡管望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有探測(cè)到引力波引起的伽馬暴,但對(duì)其在兆電子伏特能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制[9]。
圖17 HXMT衛(wèi)星在GW170817暴發(fā)前后的光變曲線Fig.17 Light curves of HXMT satellite around GW170817 and GRB170817A
HXMT衛(wèi)星的成功研制、發(fā)射和在軌的良好運(yùn)行,結(jié)束了我國(guó)空間X射線科學(xué)研究使用外國(guó)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史,同時(shí)其在多波段、大面積和高靈敏度方面的綜合探測(cè)能力,給我國(guó)空間高能物理研究提供了高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù),將帶動(dòng)我國(guó)空間高能物理的研究和進(jìn)步。作為我國(guó)首顆天文臺(tái)級(jí)大型天文衛(wèi)星,采用我國(guó)科學(xué)家提出的創(chuàng)新探測(cè)方法,解決了天文觀測(cè)衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)、望遠(yuǎn)鏡載荷的自主研制及標(biāo)定等技術(shù),為我國(guó)后續(xù)空間科學(xué)任務(wù)例如增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)(eXTP)[10]的研制提供了重要技術(shù)支撐。
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