張龍 倪潤立 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,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射線天文觀測相比其它能區(qū)天文觀測的明顯不足,2012年發(fā)射的核光譜望遠鏡陣列衛(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射線時變探測方面能力受到限制。

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

本文根據(jù)HXMT衛(wèi)星的需求特點,概述了解決上述問題的解決思路和衛(wèi)星配置,重點針對硬X射線成像觀測、慣性空間下的觀測模式設(shè)計、測控數(shù)傳天線解決方案等衛(wèi)星特點和難點問題解決方案進行了論述,通過衛(wèi)星在軌測試表明,衛(wèi)星各項指標(biāo)滿足任務(wù)要求。

1 衛(wèi)星方案設(shè)計

1.1 技術(shù)方案概述

HXMT衛(wèi)星基于任務(wù)特點,充分借鑒了中國空間技術(shù)研究院的成熟衛(wèi)星技術(shù),并在此基礎(chǔ)上進行適應(yīng)性改進和創(chuàng)新,實現(xiàn)了對長期慣性空間定向觀測衛(wèi)星的總體方案設(shè)計。衛(wèi)星采用分艙設(shè)計,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)星探測靈敏度和有效觀測時間,降低空間環(huán)境對探測器產(chǎn)生的本底,同時考慮測控、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)子對有效觀測時間影響。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。控制系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定控制及單組元推進系統(tǒng),配置6臺25 N·m·s的動量輪以及3個200 A·m2的磁力矩器,實現(xiàn)大角度、可變速率姿態(tài)機動。為了解決全空間無固定對地面觀測任務(wù)的測控問題,采用兩臺USB應(yīng)答機,4副天線兩兩組陣實現(xiàn)全空間測控,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,絕對時間精度優(yōu)于10μs。通過整星觀測模式設(shè)計以及遮陽板的使用,保障了望遠鏡載荷熱環(huán)境,采用多級隔熱、重點設(shè)備主動加熱、載荷與熱控一體化設(shè)計以及深冷熱管的應(yīng)用實現(xiàn)了高能望遠鏡的高精度控溫(18℃±2℃),中能望遠鏡(－50～－10℃)和低能望遠鏡(－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)致無效觀測時間占比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個主探測器、3個中能探測器、3個低能探測器以及1個空間環(huán)境監(jiān)測器等4類載荷,實現(xiàn)觀測能區(qū)覆蓋1～250 ke V,角分辨率優(yōu)于5′,探測靈敏度優(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)的空間X射線觀測以及衛(wèi)星所處空間環(huán)境的測量。利用寬波束角數(shù)傳天線設(shè)計、變速率數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計,實現(xiàn)60 Mbit/s或120 Mbit/s數(shù)傳傳輸速率的任意對地姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸,結(jié)合衛(wèi)星配置2×512 Gbyte大容量固態(tài)存儲器以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)存儲和下傳策略設(shè)計滿足載荷在軌數(shù)據(jù)存儲和數(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,在測控系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)的支持下,通過對1～250 ke V能區(qū)的X射線以及200 keV～3 MeV伽馬暴的天文觀測可以完成對眾多天體目標(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

2.1 大視場、準直型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90年代歐洲和美國先后開始研制編碼孔徑成像的硬X射線衛(wèi)星,如“國際伽馬射天文實驗室”(INTEGRAL)、伽馬暴快速反應(yīng)探測器(Swift)等[4-5]。我國學(xué)者在20世紀90年代初提出直接解調(diào)方法[6],用簡單成熟的準直型無成像功能硬件技術(shù)組合可以實現(xiàn)高分辨和高靈敏度成像觀測。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)計準直型探測器,并結(jié)合衛(wèi)星的掃描模式獲得觀測數(shù)據(jù)直接解調(diào)成像,角分辨率優(yōu)于1.41′,對X射線源的定位精度優(yōu)于44″,遠好于Swift衛(wèi)星暴發(fā)警示望遠鏡(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)測和發(fā)現(xiàn)X射線源,需要對X射線源進行高精度定位,并引導(dǎo)地面和空間觀測設(shè)備進行聯(lián)合觀測。為此,衛(wèi)星總體從系統(tǒng)頂層對影響定位精度的因素進行分析,針對X射線成像觀測特點,對各環(huán)節(jié)如望遠鏡成像精度、衛(wèi)星指向精度、時間同步精度等進行分解,并重點對影響定位精度的星敏支架、望遠鏡主結(jié)構(gòu)、望遠鏡的成像影響因素等進行了機、熱一體化的分析和仿真,結(jié)果表明衛(wèi)星對X射線源的定位精度優(yōu)于51″,在軌評估定位精度44″,滿足任務(wù)1′的指標(biāo)要求。在工程研制過程中,利用整星驗證試驗開展衛(wèi)星熱變形測量,驗證了X射線源定位設(shè)計的正確性。

2.3 慣性空間定向下的多工作模式設(shè)計

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

圖4 對日定向巡天觀測等效示意圖Fig.4 Sketch diagram of sky survey mode

2.4 無固定對地面的對地測控數(shù)傳天線設(shè)計

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?因此為保證對地的測控和數(shù)傳以及對天的GPS的指向要求,衛(wèi)星采用了全向測控、數(shù)傳天線設(shè)計。為此測控任務(wù)采用4副天線,兩兩組陣,可實現(xiàn)上行鏈路的全空間覆蓋。GPS采用兩個天線組陣的形式實現(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)傳時間以及鏈路質(zhì)量,HXMT衛(wèi)星上設(shè)計了兩副寬波束均勻增益數(shù)傳天線,兩副天線可實現(xiàn)全空間分時覆蓋。在軌期間根據(jù)實際情況選擇對地條件好的天線作為當(dāng)班天線進行數(shù)據(jù)傳輸。

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

2.5 同結(jié)構(gòu)大溫差載荷溫度控制設(shè)計

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

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

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

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

2.6 適應(yīng)載荷長期工作的自主安全設(shè)計

為了適應(yīng)HXMT衛(wèi)星望遠鏡載荷長期開機、時間精度要求高、觀測模式多、自主控制復(fù)雜且衛(wèi)星具有長期不過境(12 h)等特點,衛(wèi)星設(shè)計了多種自主安全管理措施。針對載荷長期開機下的數(shù)傳和存儲空間環(huán)境適應(yīng)性開展專項設(shè)計,核心控制和參數(shù)存儲采取了全三模設(shè)計,并開展了地面試驗驗證。針對時間精度要求高,對GPS接收機設(shè)計了自主加斷電設(shè)計;針對衛(wèi)星經(jīng)過南大西洋異常(SAA)區(qū)設(shè)計了SAA區(qū)載荷自主保護設(shè)計;針對星上自主執(zhí)行觀測規(guī)劃,對輸入目標(biāo)合理性要求高的特點,設(shè)計了觀測目標(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,既可以保障望遠鏡長期在軌穩(wěn)定不間斷觀測,同時可對衛(wèi)星長時間不在測控區(qū)的故障進行自主處理,保證衛(wèi)星的安全。衛(wèi)星在軌1年多的時間里,尚未發(fā)生異常觸發(fā)自主安全設(shè)計功能的事件。

2.7 多頻段、大視場、高靈敏望遠鏡設(shè)計

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

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)星平臺測試、有效載荷初始工作狀態(tài)設(shè)置、有效載荷功能性能測試以及工作參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化、地面應(yīng)用系統(tǒng)天地一體化測試、在軌標(biāo)定和衛(wèi)星初步應(yīng)用等測試工作。在軌測試結(jié)果表明,衛(wèi)星各項功能、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)得到驗證,取得了初步科學(xué)成果,表明衛(wèi)星工程系統(tǒng)具有實現(xiàn)預(yù)期科學(xué)目標(biāo)的能力。

目前衛(wèi)星已在軌運行1周年,完成了對核心科學(xué)目標(biāo)源的觀測,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45個核心目標(biāo)天體進行了多輪次定點觀測;對銀道面全部22個區(qū)域進行了508次小天區(qū)掃描觀測[8];對蟹狀星云天區(qū)進行了9次小天區(qū)掃描觀測;同時測試了巡天掃描模式。獲得了引力波電磁對應(yīng)體監(jiān)測、伽馬暴的發(fā)現(xiàn)與監(jiān)測等多項初步科學(xué)成果[1]。

4 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星作為我國首顆X射線天文觀測衛(wèi)星,突破了準直型X射線載荷成像技術(shù)、全空間觀測下的多觀測模式設(shè)計及全空間測控和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了具有多波段、大視場、高靈敏度觀測特點的X射線觀測衛(wèi)星在軌實施,結(jié)束了我國空間X射線天文研究只能使用國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歷史,推動了我國空間高能物理的研究。

參考文獻(References)

[1]Pan Teng,Ni Runli,Zhang Long,et al．Insight-HXMT:China’s first X-ray astronomical satellite[J]．Aerospace China,2017,18(4):3-12

[2]F A Harrison,Steve Boggs,Finn Christensen,et al．The Nuclear Spectroscopic Telescope Array(NuSTAR)[C]//2010 Space Telescopes and Instrumentation．Albuquerque:SPIE,2010

[3]LI T P．Science with the hard X-ray modulation telescope[J]．Int．J,Mod．Phys．,2013,22:1-8

[4]Arvind Parmar,Winkler Christoph,Barr Paul,et al．The INTEGRAL mission[C]//X-ray and Gamma-ray Telescopes and Instruments for Astronomy．Albuquerque:SPIE,2003

[5]N Gehrels．The swiftγ-ray burst mission[J]．New Astronomy Reviews,2004,48(5-6):431-435

[6]Li T P,Wu M．Reconstruction of objects by direct demodulation[J]．Astrophys Space Sci．,1994,215:213-227

[7]Ann M Parsons．On behalf of the Swift/BAT Instrument Team,The Swift Gamma-ray Burst Explorer,Burst Alert Telescope(BAT)[C]//IEL Citation．New York:IEEE,2001

[8]中國科學(xué)院高能所．硬X射線調(diào)制望遠鏡已觀測列表[EB/OL]．[2018-09-04]．http://hxmt．org/index．php/plan/oklist Institute of High Energy Physics,CAS.List of sources observed by Insight-HXMT[EB/OL]．[2018-09-04]．http://hxmt．org/index．php/plan/oklist(in Chinese)