我國首顆X射線天文衛(wèi)星如何煉成

邱晨輝+龐丹+潘晨

與以往發(fā)射的中國衛(wèi)星不同，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”甫一亮相就得到國際廣泛的關(guān)注。這不僅因為它是我國第一顆X射線天文望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，開辟了通過宇宙探索新窗口尋求物理科學(xué)突破的新紀(jì)元，更是因為它趕在美國NASA“超越愛因斯坦計劃”黑洞發(fā)現(xiàn)者之前上天，成為國際上發(fā)現(xiàn)黑洞的一大利器。

正如美國“超越愛因斯坦計劃”新一代黑洞發(fā)現(xiàn)者候選項目EXIST首席科學(xué)家所說：“中國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，將是今后這段時期中研究黑洞動力學(xué)過程獨一無二的，是X射線天文學(xué)發(fā)展史上的一座里程碑?！?/p>

盡管在中國“慧眼”之前，國際上已有7顆同類型衛(wèi)星，但這并不妨礙人們對這位“太空新秀”寄予厚望。那么這顆衛(wèi)星究竟有何絕技，又是如何煉成的？記者采訪了相關(guān)專家進行揭秘。

全天時觀測：睜開大眼后便不再閉上

從外形和體格來看，“慧眼”衛(wèi)星并不算大，只有2.5噸，不過能量卻不小。航天科技集團五院硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星總指揮兼總設(shè)計師潘騰說，從工程和技術(shù)指標(biāo)上講，這顆衛(wèi)星在同類衛(wèi)星中優(yōu)勢非常明顯，其功能性能非常強，可對宇宙天體高能事件實現(xiàn)全天時、大范圍觀測。

換句話說，“慧眼”進入太空后就會睜開明亮的大眼，無論白天還是黑夜，24小時分秒必爭，“狠狠地”盯著全宇宙，一刻也不停息地洞察著不為人知的黑洞或者是突然爆發(fā)的天文現(xiàn)象。

如果把“慧眼”比擬為一名戰(zhàn)士，那么以它為圓心，全宇宙都將是它的戰(zhàn)場，在4年多的壽命中，它不停地旋轉(zhuǎn)，“大范圍觀測著宇宙，360度無死角，宇宙無疆，視野無涯，這就是它超強的本領(lǐng)?！迸蓑v說。

細(xì)究“慧眼”即硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的名字，其中“調(diào)制”二字讓很多人不解。硬X射線調(diào)制衛(wèi)星系統(tǒng)載荷分系統(tǒng)專家、中科院高能所研究員宋黎明解釋，這是中國科學(xué)家提出的一種原創(chuàng)性設(shè)計理念，用簡單成熟的硬件技術(shù)便可實現(xiàn)高分辨和高靈敏度硬X射線成像觀測。

與歐美的編碼孔徑成像技術(shù)不同，“慧眼”采用的是直接解調(diào)方法反演成像技術(shù)。宋黎明說，與復(fù)雜、昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比，直接解調(diào)方法具有簡單準(zhǔn)確的優(yōu)勢。由于更充分地利用了數(shù)據(jù)中有關(guān)測量對象和測量儀器的信息，同樣的數(shù)據(jù)經(jīng)“直接解調(diào)”方法可以得到比傳統(tǒng)方法好得多的反演結(jié)果，分辨率高，同時噪音干擾被有效抑制，背景異常干凈，可以極大提高探測定位的精度。

宋黎明表示，這些為“慧眼”探測宇宙空間各種高能事件、取得令人振奮的成果提供了保證。

數(shù)據(jù)傳輸：一場“沒有關(guān)機重啟”的直播

作為一個全天時工作的天文觀測衛(wèi)星，“慧眼”的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)被形象地稱為“24小時無間斷”且“沒有關(guān)機重啟”的直播。

對一般衛(wèi)星而言，對受到影響的衛(wèi)星設(shè)備實施“關(guān)機重啟”，是“糾正錯誤”的一種被動選擇。不過，航天科技集團五院硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人許興說，針對“需要數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)4年不間斷工作”的“慧眼”來說，關(guān)機重啟就意味著數(shù)據(jù)中斷，太空信使的任務(wù)目標(biāo)就無法實現(xiàn)。

于是，科研人員給“慧眼”配了一名專屬的“太空信使”—數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)，它的主要功能是將硬X射線望遠(yuǎn)鏡搜集到的數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄系統(tǒng)或通過無線方式傳輸?shù)降孛娼邮照尽?/p>

許興說，這是一個忠誠、勤勞、專業(yè)的太空信使。我國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星將在軌服役4年。這4年里，它將一刻無休地進行觀測，也意味著4年間衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)在軌不間斷工作，“這在其他衛(wèi)星上從未有過”。

這要求數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)這個“太空信使”身體倍兒棒。許興說，科研人員要像保健醫(yī)生一樣，通過抗輻照加固、三模冗余、定時刷新等手段提高產(chǎn)品“器官”自身抵抗力及自愈能力，確保這些“器官”可以抵御各種風(fēng)險，正常工作。

太空中的強輻射對衛(wèi)星的敏感器件來說可是“致命殺手”。研制人員在衛(wèi)星容易受輻射影響的部位加厚防輻射包裹—類似于孕期的準(zhǔn)媽媽常穿著防輻射服來保護腹中的寶寶。

當(dāng)然，這一層威脅還較容易得到化解，但是免于“單粒子翻轉(zhuǎn)”對衛(wèi)星芯片等產(chǎn)品的影響要復(fù)雜和艱難得多。

所謂單粒子翻轉(zhuǎn)，是指宇宙中單個高能粒子射入半導(dǎo)體器件靈敏區(qū)，使器件邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。許興說，衛(wèi)星和地面計算機一樣，數(shù)據(jù)均是采用二進制的“0”“1”來存儲、傳輸和讀取。單粒子不定期來襲時，數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)的某些器件一旦受到高能單粒子的撞擊，就會使存儲的“0”變成“1”，或者“1”變?yōu)椤?”，導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重錯誤，重者會導(dǎo)致傳輸中斷，更別說正確解讀、實時傳輸天文數(shù)據(jù)了。

按照他的說法，衛(wèi)星上的一臺臺產(chǎn)品就好比人體的一個個器官，太空輻射、粒子則像數(shù)不勝數(shù)的致病細(xì)菌，這些細(xì)菌時刻企圖侵蝕到“器官”內(nèi)部，嚴(yán)重威脅著“器官”的健康。

許興說，他所在的航天科技集團五院設(shè)計師便將重要數(shù)據(jù)分別存儲3次，也就是給1個數(shù)據(jù)做了兩個備份。如果數(shù)據(jù)被高能單粒子這個細(xì)菌篡改，系統(tǒng)會根據(jù)另外兩個沒有被改變的數(shù)據(jù)，進行自我修復(fù)。

“挑剔”的望遠(yuǎn)鏡：把大象放進冰箱里需要幾步

從值守的位置來看，“慧眼”要在距離地面550千米的高度上運行，屬于低軌運行，也意味著這顆衛(wèi)星要遭受來自太陽、地球和月亮三方面的影響。

“慧眼”衛(wèi)星工程總師、航天科技集團五院研究員馬世俊說，“慧眼”承載了中、高、低能望遠(yuǎn)鏡，這些靈敏的儀器設(shè)備需要在-60℃到-80℃的低溫下才能進行可靠的工作，而且必須確保望遠(yuǎn)鏡不見太陽，“直射斜射都不行，以免輻射增溫，增加探測器的噪聲”。

馬世俊說，這么“冷”而且“挑剔”的工作環(huán)境要求，在我國所有衛(wèi)星研制中還是頭一遭。究竟有多難，科研人員打了一個形象的比方：把大象放進冰箱里需要幾步？

打開冰箱，塞進去，關(guān)上冰箱，這是一開始只有“高能”探測器的方案。但如今多了“中能”和“低能”的方案，就好比大象的不同部位喜歡上了不同的溫度，這時就需要將整只大象同時放進一個三開門的冰箱里。

想要讓“大象心情愉悅”，航天科技集團五院專家告訴記者，科研人員不但運用了多級隔熱措施保護控制漏熱、國內(nèi)技術(shù)數(shù)一數(shù)二的深冷熱管技術(shù)、梯度溫度加熱實現(xiàn)防污染控制等聽上去酷炫的“黑科技”，還很溫馨地給衛(wèi)星戴上了一頂“太陽帽”—遮陽板。

“有了這個遮陽板，陽光永遠(yuǎn)只能從遮陽板這一面過來。”可以想象，當(dāng)衛(wèi)星運行到太陽和地球之間時，它的視場會受到較大限制。此外，這位專家還告訴記者，科研團隊還采取主動和被動控溫相結(jié)合的方法，采取多極隔熱、深冷熱管技術(shù)以及優(yōu)化觀測狀態(tài)等手段，多管齊下，盡可能滿足衛(wèi)星中“乘客”即有效載荷的苛刻需求。

（本文轉(zhuǎn)自《中國青年報》）