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揭秘:中国首颗X射线天文卫星如何炼成
华夏经纬网   2017-06-19 10:49:52   
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  与以往发射的中国卫星不同,硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”甫一亮相就得到国际广泛的关注。这不仅因为它是我国第一颗X射线天文望远镜卫星,开辟了通过宇宙探索新窗口寻求物理科学突破的新纪元,更是因为它赶在美国NASA“超越爱因斯坦计划”黑洞发现者之前上天,成为国际上发现黑洞的一大利器。

  正如美国“超越爱因斯坦计划”新一代黑洞发现者候选项目EXIST首席科学家所说:“中国硬X射线调制望远镜卫星,将是今后这段时期中研究黑洞动力学过程独一无二的,是X射线天文学发展史上的一座里程碑。”

  尽管,在中国“慧眼”之前,国际上已有7颗同类型卫星,但这并不妨碍人们对这位“太空新秀”寄予厚望。那么这颗卫星究竟有何绝技,又是如何炼成的,中国青年报·中青在线记者采访相关专家进行揭秘。

  全天时观测:睁开大眼后便不再闭上

  从外形和体格来看,“慧眼”卫星并不算大,只有2.5吨,不过能量却不小。航天科技集团五院硬X射线调制望远镜卫星总指挥兼总设计师潘腾说,从工程和技术指标上讲,这颗卫星在同类卫星中优势非常明显,其功能性能非常强,可对宇宙天体高能事件实现全天时、大范围观测。

  换句话说,“慧眼”进入太空后就会睁开明亮的大眼,无论白天还是黑夜,24小时分秒必争,“狠狠地”盯着全宇宙,一刻也不停息地洞察着不为人知的黑洞或者是突然爆发的天文现象。

  如果把“慧眼”比拟为一名战士,那么以它为圆心,全宇宙都将是它的战场,在4年多的寿命中,它不停地旋转,“大范围观测着宇宙,360度无死角,宇宙无疆,视野无涯,这就是它超强的本领。”潘腾说。

  细究“慧眼”即硬X射线调制望远镜卫星的名字,其中“调制”二字让很多人不解。硬X射线调制卫星系统载荷分系统专家、中科院高能所研究员宋黎明告诉记者,这是中国科学家提出的一种原创性设计理念,用简单成熟的硬件技术便可实现高分辨和高灵敏度硬X射线成像观测。

  与欧美的编码孔径成像技术不同,“慧眼”采用的是直接解调方法反演成像技术。宋黎明说,与复杂、昂贵的编码孔径成像系统相比,直接解调方法具有简单准确的优势。由于更充分地利用了数据中有关测量对象和测量仪器的信息,同样的数据经“直接解调”方法可以得到比传统方法好得多的反演结果,分辨率高,同时噪音干扰被有效抑制,背景异常干净,可以极大提高探测定位的精度。

  他说,这些为“慧眼”探测宇宙空间各种高能事件、取得令人振奋的成果提供了保证。

  数据传输:一场“没有关机重启”的直播

  作为一个全天时工作的天文观测卫星,“慧眼”的数据传输系统被形象地称为“24小时无间断”且“没有关机重启”的直播。

  对一般卫星而言,对受到影响的卫星设备实施“关机重启”,是“纠正错误”的一种被动选择。不过,航天科技集团五院硬X射线调制望远镜卫星数据传输分系统技术负责人许兴说,针对“需要数据传输分系统4年不间断工作”的“慧眼”来说,关机重启就意味着数据中断,太空信使的任务目标就无法实现。

  于是,科研人员给“慧眼”配了一名专属的“太空信使”——数据传输分系统,它的主要功能是将硬X射线望远镜搜集到的数据,实时传输到数据记录系统或通过无线方式传输到地面接收站。

  许兴说,这是一个忠诚、勤劳、专业的太空信使。我国硬X射线调制望远镜卫星将在轨服役4年。这4年里,它将一刻无休地进行观测,也意味着4年间卫星的数据传输分系统在轨不间断工作,“这在其他卫星上从未有过”。

  这要求数据传输分系统这个“太空信使”身体倍儿棒。许兴说,科研人员要像保健医生一样,通过抗辐照加固、三模冗余、定时刷新等手段提高产品“器官”自身抵抗力及自愈能力,确保这些“器官”可以抵御各种风险正常工作。

  太空中的强辐射对卫星的敏感器件来说可是“致命杀手”。研制人员在卫星容易受辐射影响的部位加厚防辐射包裹——类似孕期的准妈妈常穿着防辐射服,来保护腹中的宝宝一样。

  当然,这一层威胁还较容易得到化解,但是免于“单粒子翻转”对卫星芯片等产品的影响要复杂和艰难得多。

  所谓单粒子翻转,是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转的现象。许兴说,卫星和地面计算机一样,数据均是采用二进制的“0”“1”来存储、传输和读取。单粒子不定期来袭时,数据传输分系统的某些器件一旦受到高能单粒子的撞击,就会使存储的“0”变成“1”,或者“1”变为“0”,导致数据严重错误,重者会导致传输中断,更别说正确解读、实时传输天文数据了。

  按照他的说法,卫星上的一台台产品就好比人体的一个个器官,太空辐射、粒子则像数不胜数的致病细菌,这些细菌时刻企图侵蚀到“器官”内部,严重威胁着“器官”的健康。

  许兴说,他所在的航天科技集团五院设计师便将重要数据分别存储3次,也就是给1个数据做了两个备份。如果数据被高能单粒子这个细菌篡改,系统会根据另外两个没有被改变的数据,进行自我修复。

  “挑剔”的望远镜:把大象放进冰箱里需要几步

  从值守的位置来看,“慧眼”要在距离地面550千米的高度上运行,属于低轨运行,也意味着这颗卫星要遭受来自太阳、地球和月亮三方面的影响。

  “慧眼”卫星工程总师、航天科技集团五院研究员马世俊说,“慧眼”承载了中、高、低能望远镜,这些灵敏的仪器设备需要在-60℃到-80℃的低温下才能进行可靠的工作,而且必须确保望远镜不见太阳,“直射斜射都不行,以免辐射增温,增加探测器的噪声”。

  马世俊说,这么“冷”而且“挑剔”的工作环境要求,在我国所有卫星研制中还是头一遭。究竟有多难,科研人员打了一个形象的比方:把大象放进冰箱里需要几步?

  打开冰箱,塞进去,关上冰箱,这是一开始只有“高能”探测器的方案。但如今多了“中能”和“低能”的,就好比大象的不同部位,喜欢上了不同的温度,就需要将整只大象同时放进一个三开门的冰箱里。

  想要让“大象心情愉悦”,航天科技集团五院专家告诉记者,科研人员不但运用了多级隔热措施保护控制漏热、国内技术数一数二的深冷热管技术、梯度温度加热实现防污染控制等听上去酷炫的“黑科技”,还很温馨地给卫星戴上了一顶“太阳帽”——遮阳板。

  “有了这个遮阳板,阳光永远只能从遮阳板这一面过来”。可以想象,当卫星运行到太阳和地球之间时,它的视场会受到较大限制。此外,这位专家还告诉记者,科研团队还采取主动和被动控温相结合的方法,采取多极隔热、深冷热管技术以及优化观测状态等手段,多管齐下,尽可能满足卫星中“乘客”即有效载荷的苛刻需求。记者 邱晨辉 通讯员 庞丹 潘晨

 

来源:中国青年报

 

责任编辑:张晖

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