俄德聯(lián)合X射線天文觀測(cè)任務(wù)研究

王帥 劉思萌（北京空間科技信息研究所 中國(guó)空間技術(shù)研究院衛(wèi)星應(yīng)用總體部）

北京時(shí)間2019年7月13日20：31，俄羅斯和德國(guó)聯(lián)合開展的X射線天文觀測(cè)任務(wù)“光譜-倫琴-伽馬”（Spektr-RG）搭乘質(zhì)子－M（Proton－M）運(yùn)載火箭發(fā)射升空，開始飛向位于日地拉格朗日L2點(diǎn)的目標(biāo)軌道。Spektr-RG將在3個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成軌道轉(zhuǎn)移，計(jì)劃開展為期6.5年的X射線天文觀測(cè)。Spektr-RG是俄羅斯主導(dǎo)的第二個(gè)“光譜”（Spektr）系列空間科學(xué)任務(wù)，主要目標(biāo)為研究星系團(tuán)、黑洞和暗物質(zhì)，該任務(wù)研制之路歷經(jīng)坎坷，從首次提出到發(fā)射經(jīng)歷了數(shù)十年，被認(rèn)為是俄羅斯空間科學(xué)的“希望之星”。

1 研制背景

Spektr-RG任務(wù)的起源最早可以追溯至20世紀(jì)80年代末，但由于經(jīng)濟(jì)風(fēng)暴等原因多次推遲甚至于2002年取消，之后于2005年重新確立新版本任務(wù)，2個(gè)版本任務(wù)名稱相同，且均是國(guó)際合作的空間天文觀測(cè)任務(wù)，觀測(cè)范圍也類似，但平臺(tái)、載荷、運(yùn)行軌道等設(shè)計(jì)存在較大差別，且參與方也不盡相同。

取消的第一版任務(wù)由俄羅斯、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、以色列等10余個(gè)國(guó)家的20個(gè)組織聯(lián)合開展，計(jì)劃攜帶10余個(gè)科學(xué)儀器，觀測(cè)范圍覆蓋極紫外線到γ射線，任務(wù)將對(duì)X射線源進(jìn)行全方位探測(cè)，并研究γ射線爆的性質(zhì)。航天器計(jì)劃采用“光譜”平臺(tái)，質(zhì)量約為6000kg，運(yùn)行在500km×200000km、傾角51.6°的大橢圓軌道上。2002年，項(xiàng)目由于缺乏資金而終止，俄羅斯為補(bǔ)償國(guó)際合作伙伴的損失，為歐洲航天局（ESA）空間天文觀測(cè)任務(wù)——“積分”（INTEGRAL）提供了運(yùn)載火箭，ESA則為俄羅斯提供了25%的可用觀測(cè)時(shí)間。

當(dāng)前的第二版任務(wù)由俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)（Roscosmos，原俄羅斯聯(lián)邦航天局）和德國(guó)航空航天中心（DLR）聯(lián)合開展，Roscosmos提供航天器平臺(tái)和運(yùn)載火箭，以及載荷“天文倫琴望遠(yuǎn)鏡-X射線聚光器”（ART-XC）；DLR則提供載荷“攜帶成像望遠(yuǎn)鏡陣列的擴(kuò)展倫琴調(diào)查儀”（eROSITA）。新版任務(wù)在經(jīng)費(fèi)上具有一定程度的保障，但由于硬件和有效載荷建設(shè)方面存在諸多問題等原因，重生的Spektr-RG任務(wù)依然沒有逃脫接連被推遲的命運(yùn)，從最初計(jì)劃2012年發(fā)射一直推遲到2019年7月發(fā)射，任務(wù)設(shè)計(jì)方面也發(fā)生了一些細(xì)微的變化，其中最主要的變化是運(yùn)載火箭由“天頂”（Zenit）/“弗雷蓋特”（Fregat）上面級(jí)改為質(zhì)子－M/Block DM－03上面級(jí)。

項(xiàng)目的多次延遲不僅造成了成本的增長(zhǎng)，還導(dǎo)致航天器的保障任務(wù)壽命從7.5年縮短為6.5年。由于任務(wù)發(fā)射時(shí)間推遲，一些預(yù)期成果可能由其他天文觀測(cè)任務(wù)搶先獲得，對(duì)任務(wù)的科學(xué)價(jià)值造成了一定程度的影響，例如宇宙學(xué)模型和大型結(jié)構(gòu)領(lǐng)域潛在的發(fā)現(xiàn)可以由遠(yuǎn)紅外或亞毫米探測(cè)儀器代替獲得。

2 任務(wù)基本情況

Spektr-RG任務(wù)是俄羅斯和德國(guó)聯(lián)合開展的一項(xiàng)X射線天文觀測(cè)任務(wù)，計(jì)劃開展X射線的全天觀測(cè)，在高能天文物理學(xué)領(lǐng)域提供革命性的數(shù)據(jù)。航天器主要由平臺(tái)和2部“沃爾特”（Wolter）望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成，計(jì)劃工作在日地拉格朗日L2點(diǎn)，預(yù)計(jì)將開展為期4年的全天巡視觀測(cè)以及2.5年的定向觀測(cè)。

任務(wù)目標(biāo)

Spektr-RG任務(wù)的總體目標(biāo)為在0.3～11keV能譜范圍內(nèi)進(jìn)行首次全天觀測(cè)，以發(fā)現(xiàn)數(shù)十萬個(gè)超大質(zhì)量黑洞，并進(jìn)行首次全天成像X射線時(shí)變觀測(cè)，預(yù)計(jì)將探測(cè)到數(shù)萬個(gè)星系團(tuán)并對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行定向觀測(cè)，以研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。

巡天觀測(cè)的主要科學(xué)目標(biāo)為研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，測(cè)量暗能量狀態(tài)方程，研究超大質(zhì)量黑洞成長(zhǎng)過程和宇宙演化，尋找最稀有和新奇的宇宙天體。任務(wù)探測(cè)的X射線源目錄可能包括一個(gè)宇宙存在以來形成的星系團(tuán)的綜合列表。Spektr-RG還可以探測(cè)來自“暗物質(zhì)”源的熱氣體發(fā)出的輻射，從而能夠繪制宇宙中這一神秘物質(zhì)的分布圖。

航天器構(gòu)成

Spektr-RG航天器發(fā)射質(zhì)量約為2700kg，其中航天器干質(zhì)量約2350kg，有效載荷質(zhì)量約1160kg，任務(wù)設(shè)計(jì)壽命為6.5年。航天器由“導(dǎo)航者”（Navigator）平臺(tái)、eROSITA載荷和ART-XC載荷構(gòu)成。

Spektr-RG示意圖

Spektr-RG預(yù)計(jì)編目的目標(biāo)

Navigator平臺(tái)

（1）Navigator平臺(tái)

Navigator平臺(tái)由俄羅斯宇航制造商拉沃契金科研生產(chǎn)聯(lián)合體（NPO Lavochikin）研制，采用三軸姿態(tài)控制，可應(yīng)用于多類型的航天任務(wù)，包括光譜-R（Spektr-R）等科學(xué)衛(wèi)星、電子－L（Elektro-L）氣象衛(wèi)星、“北極”（Arktika）遙感衛(wèi)星等。平臺(tái)可工作于地球靜止軌道、太陽(yáng)同步軌道、高橢圓地球軌道以及位于深空的日地拉格朗日點(diǎn)軌道，可以與俄羅斯的“聯(lián)盟”（Soyuz）、“天頂”和“質(zhì)子”運(yùn)載火箭集成。

Navigator平臺(tái)主要包括無線電綜合體、姿態(tài)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、自主電子模塊、低增益遙測(cè)天線和饋電系統(tǒng)、高數(shù)據(jù)速率通信無線電鏈路、上下相位轉(zhuǎn)移無線電鏈路、太陽(yáng)能板姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道校正發(fā)動(dòng)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)Navigator平臺(tái)的推進(jìn)系統(tǒng)包括4個(gè)推力為5N的軌道校正發(fā)動(dòng)機(jī)和8個(gè)推力為0.5N的姿態(tài)控制推進(jìn)器。

（2）eROSITA儀器

eROSITA由德國(guó)馬克思普朗克地外物理研究所研制，質(zhì)量約為810kg，直徑1.3m，長(zhǎng)2.6m，敏感范圍為0.3～10keV。儀器配有7臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，為Spektr-RG提供了獨(dú)特的寬視野，用于觀測(cè)宇宙中的高能射線源。

eROSITA結(jié)構(gòu)圖

eROSITA基于“牛頓X射線多鏡望遠(yuǎn)鏡”（XMM-Newton）等項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)研制而成。7臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都包含一個(gè)54個(gè)嵌套鏡子組成的系統(tǒng)，形成一個(gè)圓錐形管狀結(jié)構(gòu)。在每個(gè)望遠(yuǎn)鏡模塊的焦平面上，都有一臺(tái)專用攝像機(jī)，其中包含由高純硅制成的CCD。為了最大限度地提高eROSITA上相機(jī)的靈敏度，在使用熱管和散熱器的特殊被動(dòng)冷卻裝置的幫助下，儀器能夠在任務(wù)期間保持在－95℃。

eROSITA能夠觀測(cè)宇宙中最大的重力束縛實(shí)體——星系團(tuán)，以及星系團(tuán)之間的熱氣體，對(duì)這些巨大結(jié)構(gòu)的詳盡觀測(cè)有助于揭開宇宙演化的奧秘，并提升對(duì)于暗能量等宇宙現(xiàn)象的理解，測(cè)試當(dāng)前解釋暗能量的各種理論模型。儀器還能夠?qū)?00萬個(gè)超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)前主序星、超新星遺留物、X射線雙星等X射線源進(jìn)行探測(cè)。

（3）ART-XC儀器

ART-XC由俄羅斯科學(xué)院空間研究所（IKI）研制，質(zhì)量約為350kg，敏感范圍為6～30keV。儀器與eROSITA配合使用，將擴(kuò)大觀測(cè)范圍，同時(shí)重疊的部分觀測(cè)范圍將有助于2個(gè)儀器的校準(zhǔn)和提高科學(xué)結(jié)果的可靠性。ART-XC將首次制作能量范圍5～11keV的全天圖，并在5～30keV的范圍內(nèi)掃描天空的部分區(qū)域。

ART-XC結(jié)構(gòu)圖

ART-XC的光學(xué)系統(tǒng)包括7組28個(gè)嵌套的錐形鏡殼，長(zhǎng)度為580mm，最大直徑為148mm。望遠(yuǎn)鏡攜帶被稱為“雙面硅條探測(cè)器”的特殊半導(dǎo)體探測(cè)器，由碲化鎘制成。

據(jù)估計(jì)，ART-XC將揭示超過1000個(gè)星系核和數(shù)千個(gè)正在成長(zhǎng)的超大質(zhì)量黑洞。ART-XC還將首次提供大量白矮星的同時(shí)視圖，并允許其質(zhì)量和其他參數(shù)的測(cè)量。該儀器還可用于對(duì)具有變化亮度的X射線源（稱為瞬態(tài)X射線源）進(jìn)行成像，可以揭示新類型的天體。

任務(wù)實(shí)施歷程

Spektr-RG于2019年7月13日搭乘質(zhì)子－M運(yùn)載火箭發(fā)射升空。航天器將花費(fèi)3個(gè)月的時(shí)間飛行至振幅為400000km的目標(biāo)日地拉格朗日L2點(diǎn)軌道，包括驗(yàn)證和校準(zhǔn)階段，之后正式開始為期6.5年的科學(xué)觀測(cè)任務(wù)。其中，前4年將在0.3～11keV的范圍內(nèi)進(jìn)行巡天觀測(cè)，每6個(gè)月完成一次全天觀測(cè)，共計(jì)完成8次全天觀測(cè)；后2.5年將進(jìn)行定向觀測(cè)，主要觀測(cè)關(guān)注的星系團(tuán)和活動(dòng)星系核。

Spektr-RG運(yùn)行軌道示意圖

日地拉格朗日L2點(diǎn)位于日地連接線的延長(zhǎng)線上，是Spektr-RG任務(wù)運(yùn)行的理想位置。該地區(qū)具有潔凈的引力和磁力環(huán)境，沒有過多的干擾，也沒有低地球軌道上稀薄的空氣，只有來自微小離子造成的“壓力”，軌道維持所需的燃料消耗很少。

3 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

將開展寬帶X射線全天巡視成像觀測(cè)，促進(jìn)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和暗能量研究

Spektr-RG是近年來發(fā)射的又一大型X射線天文望遠(yuǎn)鏡，相比于當(dāng)前最為先進(jìn)的X射線天文觀測(cè)任務(wù)“錢德拉”（Chandra）和XMM-Newton，Spektr-RG任務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)全天巡視觀測(cè)，并且在L2點(diǎn)運(yùn)行將具備低1個(gè)數(shù)量級(jí)的粒子背景，從而允許對(duì)于低表面亮度的漫射物體進(jìn)行詳細(xì)研究。

不同于以往的空間X射線望遠(yuǎn)鏡攜帶窄視野儀器，Spektr-RG將攜帶廣角探測(cè)儀器對(duì)全天進(jìn)行觀測(cè)，eROSITA儀器將首次在中能量X射線0.3～10keV進(jìn)行全天巡視成像，ART-XC儀器則在更高能譜范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)，兩者的組合將實(shí)現(xiàn)非常詳細(xì)的寬帶全天巡天觀測(cè)。Spektr-RG的巡天觀測(cè)將有助于研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，為各種高能天體物理現(xiàn)象提供新的見解，提供關(guān)于暗能量和宇宙加速擴(kuò)張的新線索等。

Spektr-RG將繪制全天空的X射線源，包括黑洞、中子星和白矮星等，預(yù)計(jì)將編目數(shù)百萬個(gè)黑洞等高能天體，增進(jìn)對(duì)于超大質(zhì)量黑洞形成及演化的認(rèn)知，進(jìn)一步揭示X射線雙星等天體的性質(zhì)。

Spektr-RG是俄首次日地拉格朗日點(diǎn)任務(wù)，符合科學(xué)觀測(cè)任務(wù)向深空邁進(jìn)的趨勢(shì)

近年來，日地拉格朗日點(diǎn)已經(jīng)越發(fā)受到空間科學(xué)觀測(cè)任務(wù)的關(guān)注，美、歐等國(guó)已經(jīng)在日地拉格朗日L1點(diǎn)和L2點(diǎn)上開展了多次科學(xué)任務(wù)。此次Spektr-RG任務(wù)是俄羅斯首次開展的日地拉格朗日點(diǎn)任務(wù)，將是俄羅斯主導(dǎo)的首次在深空中開展的科學(xué)觀測(cè)任務(wù)。

Spektr-RG任務(wù)選擇的日地拉格朗日L2點(diǎn)位于日地連線的延長(zhǎng)線上，距離地球約1500000km，不受大氣擾動(dòng)、地球陰影等因素影響，具有極其穩(wěn)定的引力和輻射環(huán)境；同時(shí)由于太陽(yáng)、地球和月球始終位于日地拉格朗日L2點(diǎn)的一側(cè)，航天器容易屏蔽輻射且指向控制更為容易，因此日地拉格朗日L2點(diǎn)被認(rèn)為是天文觀測(cè)的理想位置。未來的大型天文觀測(cè)任務(wù)基本都選擇了日地拉格朗日L2點(diǎn)軌道，包括未來美國(guó)的“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST）、“寬視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡”（WFIRST）和ESA的“歐幾里得”（Euclid）、“柏拉圖”（Plato）、“雅典娜”（Athena）和“大氣遙感紅外系外行星大調(diào)查”（ARIEL）等。

俄在任務(wù)研制過程中充分吸取過往失敗經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于重振航天能力具有積極作用

Spektr-RGRG任務(wù)是繼俄羅斯首次成功發(fā)射深空探測(cè)任務(wù)——“火星生物學(xué)－2016”（ExoMars－2016）之后，又一次成功發(fā)射，終結(jié)了俄羅斯時(shí)期連續(xù)2次發(fā)射火星探測(cè)任務(wù)失敗的情況。從其任務(wù)推遲的情況看，“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任務(wù)發(fā)射失敗之后，Spektr-RGRG任務(wù)團(tuán)隊(duì)充分吸取了失敗經(jīng)驗(yàn)，對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改動(dòng)，以保障任務(wù)的成功。其中，無線電系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，能夠支持俄羅斯和ESA的地面測(cè)控，從而最大化飛行初期航天器的可視窗口；航天器利用火箭上面級(jí)直接飛向目標(biāo)軌道，從而允許任務(wù)控制團(tuán)隊(duì)有更多的時(shí)間評(píng)估發(fā)射后航天器的實(shí)際路徑，并計(jì)算抵達(dá)最終目的地的軌道校正量。

無論是由于改善測(cè)控通信，還是測(cè)試過程發(fā)現(xiàn)問題導(dǎo)致推遲，從正面看都可以理解為俄羅斯正積極吸取過往失敗經(jīng)驗(yàn)，謹(jǐn)慎開展航天任務(wù)，以保障任務(wù)的成功實(shí)施。

任務(wù)由于多方面的原因?qū)е路磸?fù)推遲，其中國(guó)際合作中溝通不暢的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得警惕

Spektr-RG任務(wù)的實(shí)施過程可謂相當(dāng)坎坷，第一版任務(wù)由于經(jīng)濟(jì)原因被迫取消；第二版任務(wù)則由于多類型問題不斷推遲。撇去俄羅斯自身航天技術(shù)問題，任務(wù)還遭受了多個(gè)國(guó)際合作方面的問題；一是缺乏良好的國(guó)際環(huán)境導(dǎo)致合作和采購(gòu)的問題；二是與德國(guó)的合作過程中溝通協(xié)調(diào)存在問題；此外，還有德國(guó)研制過程中遭遇技術(shù)問題。

由于烏克蘭沖突事件，俄羅斯與烏克蘭合作的“天頂”火箭遭受影響，盡管在沖突之后仍成功開展了2次任務(wù)，但所用的火箭均為沖突發(fā)生前已經(jīng)儲(chǔ)存在發(fā)射場(chǎng)的火箭，這一問題促使俄羅斯在2016年更換發(fā)射火箭而導(dǎo)致了任務(wù)的推遲。同時(shí)，烏克蘭沖突事件引發(fā)了美國(guó)對(duì)俄羅斯的制裁，導(dǎo)致俄羅斯在研制X頻段無線電通信系統(tǒng)時(shí)無法獲取美國(guó)研制的電子元件，無線電通信系統(tǒng)的交付數(shù)次推遲。

與德國(guó)的合作過程中，兩者存在溝通不暢引發(fā)的問題，具體包括：①在eROSITA儀器交付測(cè)試后發(fā)現(xiàn)星載飛行控制系統(tǒng)與儀器不匹配，需要重新編程，說明事先沒有做好溝通工作；②兩國(guó)研制團(tuán)隊(duì)對(duì)共同商定的傳輸協(xié)議存在誤解，導(dǎo)致無線電系統(tǒng)不能正常發(fā)送eROSITA儀器的科學(xué)數(shù)據(jù)，引發(fā)無線電系統(tǒng)進(jìn)一步延遲交付；③測(cè)試過程中由于缺少一些文件導(dǎo)致工作停滯不前，主要是文件沒有及時(shí)翻譯，反映了兩國(guó)溝通不暢的問題。

國(guó)際合作任務(wù)涉及多國(guó)之間的溝通協(xié)調(diào)，文件翻譯和語言障礙可能會(huì)導(dǎo)致各類問題的發(fā)生。Spektr-RG任務(wù)的研制過程中，由于溝通協(xié)調(diào)不暢，導(dǎo)致了控制軟件和無線電系統(tǒng)與儀器的不匹配，以及測(cè)試工作的停滯，影響了研制周期和成本。