太空中的“小精靈”
——解析首顆脈沖星試驗衛星

□ 梁亞坤 紫曉

太空中的“小精靈”
——解析首顆脈沖星試驗衛星

□ 梁亞坤 紫曉

2016年11月10日，在萬眾矚目中，我國首顆X射線脈沖星試驗衛星開始了太空探索之旅。作為中國航天在原始創新、技術革命道路上的一個重要里程碑事件，X射線脈沖星試驗衛星的發射，對于嘗試建立一個長期穩定運行的時間基準系統具有重要意義。

整星三維圖

小衛星肩負大使命

利用脈沖星引導航天器在宇宙空間自由地航行，目前僅僅是在理論上成立，在技術上到底可行不可行，全世界都不得而知，是世界航天技術的“無人區”。

2005年，中國空間技術研究院跟蹤國際研究動向，敏銳洞察脈沖星導航這一航天“跨代”發展的顛覆性技術的大勢，自主投入率先果斷啟動了脈沖星導航理論研究工作。在國外可參考研究成果極少，國內相關研究基礎十分薄弱的情況下，取得了理論的突破； 2013年10月，又自主啟動了脈沖試驗衛星的研制工程。經過十余年的刻苦攻關，形成了系統完整的脈沖星導航理論體系，突破了總體設計、核心關鍵技術攻關、地面試驗驗證等關鍵技術和專用試驗衛星的研制，把世界第一顆X射線脈沖星試驗衛星放飛到廣袤的宇宙空間。

X射線脈沖星試驗衛星是一顆只有243千克重的微小衛星，堪稱太空中的”小精靈”。別看它個頭小，卻攜帶了116千克的載荷，本領非常大。太空“小精靈”長著一雙宇宙“千里眼”，科學家把其中的一只眼睛叫做準直型微通道板探測器，它一下子可以看到2400平方厘米大小的面積；另一只叫做聚焦型探測器，它的聚焦鏡頭口徑為17厘米，是國際上最先進的軟X射線探測器，不僅可以觀看數萬光年外的脈沖星，而且可以記錄每一個X光子的能量，繪制能量顏色圖，研究每顆脈沖星的內部結構與成分組成。特別是通過長時間地看同一顆脈沖星，可以獲得脈沖星的輻射特性、時變特性以及周期變化情況等等。不僅如此，它還可以通過全體掃描的方式，探測全天區的軟X射線暫現源和包括空間太陽風爆發、地球電離層等空間環境，為人類提供更多的太空“天氣”預報，是個太空“多面手”。

科學家試圖通過它在一年的壽命周期里實現三個目標。一是在空間環境下實測驗證兩種類型的X射線探測器性能，研究宇宙背景噪聲及探測器響應機制；二是探測蟹狀星云脈沖星或脈沖雙星系統，提取脈沖星輪廓，解決用中國研制的探測器“看得見”X射線脈沖星的問題；三是嘗試長時間累積觀測3顆低流量脈沖星，建立試驗型數據庫，探索建立脈沖星導航系統體制的可行性。

如果X射線脈沖星試驗衛星首飛證明脈沖星導航技術是可行的，無疑將顛覆目前的衛星導航體制，推動衛星導航技術的革命性變革，實現在世界航天技術的最高點上由中國“領跑”。

勇于創新實現快好省

X射線脈沖星試驗衛星項目，從論證到研制完成只用了3年時間，其中從衛星任務確定開始正樣研制到整星出廠只用了10個月，可以說是我國研制速度最快的微小衛星項目之一，創造了快、好、省衛星研制的成功經驗。

工作體制新

脈沖星試驗衛星，搭載了準直型微通道板探測器和射聚焦型探測器。這兩種X射線脈沖星探測技術都是我國首次上天投入使用，在性能上各有所長，它們既可以相互配合，又可以獨立完成探測任務。微通道板探測器的有效探測面積大，所需的脈沖星觀測時間短；聚焦型探測器的探測效率高，設備規模小?？萍既藛T之所以選用兩種不同體制的探測器開展在軌試驗，其目的就是為了解決、驗證X射線脈沖星在軌“看得見”的問題。一方面通過多種探測技術對X射線脈沖星的在軌觀測獲取第一手的科學數據，進一步開展脈沖星導航；另一方面，也為未來脈沖星探測器的技術發展方向提供實際數據支撐，為脈沖星導航技術的工程化應用奠定基礎。

復雜程度高

為了更快更多地獲得科學數據，研究人員要求太空“小精靈”能夠在一天的全部軌道圈次內不停地工作。如果按照現有的技術手段實現這一目標，衛星每完成一次“凝視觀測”任務，地面都需要預先向衛星發送大約50條指令。這些指令主要用于設置探測器狀態、設置衛星平臺設備進入觀測狀態、設定衛星姿態調整計劃以及結束觀測任務后的衛星狀態恢復等。如果要實現讓它每一圈都工作的目標，則地面人員需要在衛星整個壽命期間，不停地上注控制指令，并監控狀態，這幾乎是“不可能完成的任務”。為了讓它在每一天或每一周，運行的每一圈中都不停地工作，多做貢獻，需要對它進行更為復雜的設計，給它安裝上“智能大腦”，這樣，地面人員只需要一次性發送何時何地看誰的指令，由它自行排序，自主分解成所需要的動作，按照計劃逐一完成全部觀測工作。

功能密度強

為使這顆微小衛星濃縮更多更為強大的功能，科技人員通過采用綜合電子組件，實現了衛星功能的高度集成。比如說，用一臺重量僅為10千克的單機，替代常規設計的6～8臺設備，實現衛星的信息管理、遙測遙控、電源管理與控制、姿態軌道運算與控制、信息處理以及熱控管理等全部功能。通過系統性集成化的設計，大大提高了衛星平臺的功能密度，在整個200多千克的衛星平臺中，有效載荷幾乎占據了一半的重量，這在過去都是沒有的，從而，探索出一條適合于我國商業微小衛星發展的技術發展道路。

研制流程新

衛星采用了突破傳統模式，優化研制流程，“一步正樣”的研制模式。技術人員通過事先對系統電接口的充分測試后，直接投產正樣產品；用深入全面的系統仿真技術代替或簡化整星級的各類試驗項目，同時在確保系統測試項目完備，確保衛星質量的可靠性的的前提下，盡可能優化研制流程，大幅縮短測試試驗周期，因此，僅用10個月，就完成了衛星的設計、生產、總裝、測試與試驗等全部工作，創造了我國研制速度最快微小衛星項目的成功先例，這也標志著我國的微小衛星設計建造水平進入了一個全新的發展階段。

衛星外形局部特寫

脈沖星為航天器導航想象圖

試驗驗證難

在衛星研制中，都要經過各種試驗驗證，千錘百煉達到要求后才能“放行”?？墒?，脈沖星輻射的X射線光子無法穿透地球稠密大氣層，只能在大氣層外空間才能探測到，在地面上怎樣進行試驗呢？為了在地面定量測試X射線脈沖星導航關鍵技術和模擬驗證導航過程，技術人員大干40天，每天工作12小時以上，克服各種困難，出色完成了整個地面試驗系統的整體框架和接口、軟件系統以及硬件系統的設計，建立X射線脈沖星導航地面試驗系統，通過這個系統形成了航天器自主導航的測試環境，逼真地模擬了脈沖星X射線光子信號輻射特征以及空間背景噪聲，解決了對X射線光子探測、導航數據庫更新及調用等關鍵技術的測試與航天器自主導航系統體制地面試驗驗證的技術難題，從而，還形成了國內唯一的脈沖星導航探測器定點檢測平臺。多型探測器和試驗設施的研制，填補了國內空白，并實現了國產化。這不僅對推動脈沖星導航技術發展具有重大意義，同時，這些成果預期可以取得較大的經濟和社會效益。