硬X射線調制望遠鏡衛星總體方案及技術特點

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構和物理規律的重要載體,并促使空間X射線天文學成為空間天文學發展最快的分支之一[1]。硬X射線天文觀測相比其它能區天文觀測的明顯不足,2012年發射的核光譜望遠鏡陣列衛星(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,NuSTAR)只能將高能區拓展到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衛星裝有既能實現大視場快速成像,又可以對特殊天體進行高統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律提供重要的新手段。硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星需要長期對宇宙X射線進行觀測,這就導致衛星沒有固定的對地面,對地球、太陽等的相對姿態變化大,帶來衛星能源、測控、數傳、熱控等方面的設計困難,因此需要衛星方案進行優化設計,降低各分系統的設計約束和難度。衛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射線探測和國際領先的200 keV～3 MeV能區伽馬暴監測。通過衛星在軌測試以及正式使用,衛星各項技術指標滿足任務需求要求,同時因其具有在寬能區X射線探測能力,而成為我國乃至國際上重要的X射線空間天文設備。

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

1 衛星方案設計

1.1 技術方案概述

HXMT衛星基于任務特點,充分借鑒了中國空間技術研究院的成熟衛星技術,并在此基礎上進行適應性改進和創新,實現了對長期慣性空間定向觀測衛星的總體方案設計。衛星采用分艙設計,承力結構采用中心承力筒加蜂窩夾層板結構,外形呈立方體構型,分為服務艙和載荷艙、太陽翼、對接段和星箭連接分離裝置等部分。衛星發射狀態如圖1所示,在軌飛行狀態見圖2。為了提高衛星探測靈敏度和有效觀測時間,降低空間環境對探測器產生的本底,同時考慮測控、數傳以及燃料消耗等約束,衛星選擇了傾角43°,軌道高度550 km的圓軌道,可有效避開范艾倫帶及空間環境的影響。圖3所示為不同軌道傾角下電子和質子對有效觀測時間影響。整星能源采用太陽翼加蓄電池聯合供電體制,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。控制系統采用三軸穩定控制及單組元推進系統,配置6臺25 N·m·s的動量輪以及3個200 A·m2的磁力矩器,實現大角度、可變速率姿態機動。為了解決全空間無固定對地面觀測任務的測控問題,采用兩臺USB應答機,4副天線兩兩組陣實現全空間測控,使用雙GPS天線合路方式,保證衛星任意姿態下的定位和校時,絕對時間精度優于10μs。通過整星觀測模式設計以及遮陽板的使用,保障了望遠鏡載荷熱環境,采用多級隔熱、重點設備主動加熱、載荷與熱控一體化設計以及深冷熱管的應用實現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 衛星發射狀態示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite launch status

圖2 衛星在軌飛行狀態示意圖Fig.2 Schematic daigram of satellite on orbit flight condition

圖3 550 km高度不同傾角質子和電子導致無效觀測時間占比Fig.3 Influence of proton and electron at different altitude angles of 550km altitude

根據科學目標任務[3],衛星有效載荷配置18個主探測器、3個中能探測器、3個低能探測器以及1個空間環境監測器等4類載荷,實現觀測能區覆蓋1～250 ke V,角分辨率優于5′,探測靈敏度優于0.5 mCrab(105s),定位精度優于1′,能量分辨率優于19%(在60 keV時)的空間X射線觀測以及衛星所處空間環境的測量。利用寬波束角數傳天線設計、變速率數據傳輸設計,實現60 Mbit/s或120 Mbit/s數傳傳輸速率的任意對地姿態數據傳輸,結合衛星配置2×512 Gbyte大容量固態存儲器以及優化的數據存儲和下傳策略設計滿足載荷在軌數據存儲和數據下傳的不同要求。

1.2 衛星主要技術指標

HXMT衛星發射入軌后,在測控系統、地面應用系統的支持下,通過對1～250 ke V能區的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及其天體現象深入全面的科學研究。衛星主要技術指標如表1所示。

表1 衛星主要技術指標Table 1 The key technical parameters of HXMT satellite

2 衛星技術特點

2.1 大視場、準直型X射線成像技術

相比低能區,高能區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射線衛星,如“國際伽馬射天文實驗室”(INTEGRAL)、伽馬暴快速反應探測器(Swift)等[4-5]。我國學者在20世紀90年代初提出直接解調方法[6],用簡單成熟的準直型無成像功能硬件技術組合可以實現高分辨和高靈敏度成像觀測。與復雜和昂貴的編碼孔徑成像系統相比,HXMT衛星采用此方法設計準直型探測器,并結合衛星的掃描模式獲得觀測數據直接解調成像,角分辨率優于1.41′,對X射線源的定位精度優于44″,遠好于Swift衛星暴發警示望遠鏡(Burst Alert Telescope,BAT)的17′角分辨率[7]。

2.2 X射線源高精度定位技術

HXMT衛星重要任務之一是監測和發現X射線源,需要對X射線源進行高精度定位,并引導地面和空間觀測設備進行聯合觀測。為此,衛星總體從系統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,對各環節如望遠鏡成像精度、衛星指向精度、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、望遠鏡主結構、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,結果表明衛星對X射線源的定位精度優于51″,在軌評估定位精度44″,滿足任務1′的指標要求。在工程研制過程中,利用整星驗證試驗開展衛星熱變形測量,驗證了X射線源定位設計的正確性。

2.3 慣性空間定向下的多工作模式設計

HXMT衛星的多科學目標要求衛星具有多種觀測模式,各種觀測模式間需要設計相互切換,同時還需要兼顧整星的能源、熱控等系統的設計。據此,衛星設計了巡天觀測、定點觀測、小天區觀測等觀測模式,分別滿足全天球巡天監視成像、對X射線源長時間觀測、對重點區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測等任務,同時根據載荷和平臺的維護需求,設計了載荷定標觀測模式和軌道控制工作模式,適應望遠鏡載荷在軌標定的特殊需求和衛星軌道控制時載荷和衛星平臺的約束要求。圖4所示為對日定向巡天觀測等效示意圖,通過衛星對日慢旋轉以及太陽的周年運動,實現全天球的巡天,同時保證了衛星的能源、熱控、數傳的設計。為了保證衛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化和模塊化設計,用戶只需對觀測模式、觀測參數以及模式切換方式進行選擇和設置即可完成觀測任務設定。

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傳天線設計

HXMT衛星主要采用慣性空間定向姿態,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對地,因此為保證對地的測控和數傳以及對天的GPS的指向要求,衛星采用了全向測控、數傳天線設計。為此測控任務采用4副天線,兩兩組陣,可實現上行鏈路的全空間覆蓋。GPS采用兩個天線組陣的形式實現近全空間覆蓋,以確保在任意姿態都能夠捕獲到足夠多顆GPS衛星,確保定位。

為了保證可數傳時間以及鏈路質量,HXMT衛星上設計了兩副寬波束均勻增益數傳天線,兩副天線可實現全空間分時覆蓋。在軌期間根據實際情況選擇對地條件好的天線作為當班天線進行數據傳輸。

通過以上設計,保證了衛星不間斷科學觀測任務的測控、數傳任務以及高精度時間需求。

2.5 同結構大溫差載荷溫度控制設計

HXMT衛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構面上,為了在一個安裝結構上滿足溫差達60℃的溫度指標要求,衛星開展如下工作:

(1)通過衛星觀測模式設計以及遮陽板設計,保證有效載荷具有相對穩定的外熱流環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,在望遠鏡設計之初將熱設計作為重要設計約束條件考慮,保證熱設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。

(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構和探測器安裝特點,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 適應載荷長期工作的自主安全設計

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

2.7 多頻段、大視場、高靈敏望遠鏡設計

HXMT衛星望遠鏡載荷是我國首臺大型空間X射線探測設備,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,低能望遠鏡熱控技術及遮光膜技術等難點。

3 在軌使用效能

HXMT衛星于2017年6月15日發射入軌,至2017年11月,先后完成了衛星平臺測試、有效載荷初始工作狀態設置、有效載荷功能性能測試以及工作參數設置及優化、地面應用系統天地一體化測試、在軌標定和衛星初步應用等測試工作。在軌測試結果表明,衛星各項功能、性能滿足衛星工程研制總要求,有效載荷工作原理和科學應用系統得到驗證,取得了初步科學成果,表明衛星工程系統具有實現預期科學目標的能力。

目前衛星已在軌運行1周年,完成了對核心科學目標源的觀測,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。目前,HXMT衛星已對45個核心目標天體進行了多輪次定點觀測;對銀道面全部22個區域進行了508次小天區掃描觀測[8];對蟹狀星云天區進行了9次小天區掃描觀測;同時測試了巡天掃描模式。獲得了引力波電磁對應體監測、伽馬暴的發現與監測等多項初步科學成果[1]。

4 結束語

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

參考文獻(References)

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[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

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[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]中國科學院高能所．硬X射線調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)