俄德合作空間天文望遠鏡飛向日-地L2軌道

文/張雪松

▲光譜-RG發射升空

▲質子Block DM發射光譜-RG望遠鏡

7月13日晚8時30分，俄羅斯和德國聯合研制的光譜-RG（SPEKTRRG）望遠鏡由質子-M型火箭發射升空。質子-M火箭使用了Block DM常溫上面級把光譜-RG望遠鏡送往日-地L2軌道，Block DM上面級兩次成功點火后，光譜-RG望遠鏡已經進入前往L2軌道的旅程。需花費3個多月的時間，它才能在L2點進行X射線天文觀測。

望遠鏡好事多磨推遲多

光譜-RG望遠鏡發射質量約2.7噸，其中科學載荷質量高達1.2噸，包括德國馬克斯·普朗克地外物理學研究所提供的沃爾特型望遠鏡“成像望遠鏡陣列擴展倫琴巡天”（eRosita），另外它還攜帶了俄羅斯空間研究所/全俄實驗物理研究所提供的編碼掩膜成像望遠鏡”天文倫琴望遠鏡-X射線集光器（ART-XS）。光譜-RG空間望遠鏡的設計工作壽命為6年半，使用X波段下行傳輸觀測數據，傳輸速率可達每秒512千比特。它的太陽翼可以提供約1.8千瓦的電力，而載荷電力消耗不超過590瓦，供電能力綽綽有余。

光譜-RG望遠鏡是俄羅斯和德國國際合作的產物，雖然望遠鏡的發射以及平臺制造都由俄羅斯負責，但這部望遠鏡最關鍵的核心載荷eRosita卻是由德國提供的，天文學界很多人干脆用eRosita這個載荷稱呼這部望遠鏡。目前在日本的瞳（Hitomi）X射線望遠鏡發射后因故障解體，在美國的斯皮策紅外望遠鏡退役而哈勃空間望遠鏡退役在即，下一代韋伯空間望遠鏡始終無法上天的時候，光譜-RGX射線望遠鏡的成功發射算是難得的好消息。它是俄羅斯在蘇聯解體以后最具雄心的空間科學項目。

光譜-RG望遠鏡的主要目標是觀測宇宙中的遙遠天體的X射線圖像。早在遙遠的1987年12月31日，蘇聯科學院就啟動了光譜-RG項目，當然X射線觀測載荷也是由本國負責。原計劃這部空間天文望遠鏡1993年發射，但蘇聯末期和俄羅斯初期國家經濟和財政的崩潰，讓這樣的設想成為泡影。俄羅斯把所有的空間科學預算都轉移到久拖不決的火星-94計劃，也就是后來發射失敗的火星-96計劃。火星-96發射失敗，給了俄羅斯航天沉重一擊，但隨后俄羅斯人把光譜系列空間天文望遠鏡列為優先發展的項目，而光譜-RG是其中的最優先目標。即使有了這些有利因素，20世紀90年代的光譜-RG望遠鏡仍然缺乏預算，它最初的科學目標又已經被歐洲填補，整個項目無疾而終。不過俄羅斯科學院始終將光譜-RG項目的名稱保留下來。隨著俄羅斯財政的改善，光譜-RG望遠鏡在2004年得以重生，成為一個更小也更廉價的項目。2009年俄羅斯和德國達成協議，“光譜-RG”將攜帶來自德國的新一代X射線觀測載荷，在X射線和伽馬射線范圍進行觀測，研究中子星、超新星、黑洞和星系核。光譜-RG望遠鏡的工作軌道還從地球大橢圓軌道改為更有利于天文觀測的日地L2軌道。經歷了30多年的坎坷歷程，它將是俄羅斯天體物理學家三十年來X射線天文觀測的高峰。

▲光譜-RG示意圖

光譜-RG望遠鏡堪稱好事多磨的典型。這不僅體現在它從1987年開始的生生死死上，即使俄羅斯和德國開展國際合作后，仍然出現了連續的推遲。光譜-RG望遠鏡由俄羅斯的拉沃契金設計局負責研制，“拉沃契金”在蘇聯時代就是行星際探測器等空間探測項目的主力，eRosita早在2014年9月就在拉沃契金設計局通過了地面測試，2015年6月進行最后的整合測試。光譜-RG望遠鏡發射時間初步定在2016年3月26日，然而2014年爆發了俄羅斯和烏克蘭的沖突，而光譜-RG望遠鏡原定使用烏克蘭南方局的天頂-SB火箭，發射因此被迫推遲。美國以烏克蘭危機為理由對俄羅斯實施禁運封鎖，導致德國不得不改進eRosita載荷，規避敏感航天元器件的禁運。這就直接導致2016年4月eRosita才完成制造，俄羅斯也需要把X波段測控系統的西方電子元件更換為俄制電子元件。這些因素綜合起來，發射時間一推再推從2016年一路推遲到2019年，最后發射載具也換成了俄羅斯的質子-M型火箭。

▲發射光譜-RG的質子火箭運往發射場

▲“光譜-RG”和火箭上面級組合

▲“光譜-RG”和上面級-Block DM

▲“光譜-RG”天文望遠鏡

▲“光譜-RG”進整流罩

老驥伏櫪的質子火箭

光譜-RG望遠鏡使用俄羅斯赫魯尼切夫設計局的質子-M運載火箭發射。這種大型火箭歷史悠久，直到現在還是俄羅斯航天發射的主力軍，可謂老當益壯。

最早的質子號火箭是一種二級液體火箭，近地軌道運載能力僅有10噸出頭，不過OKB-52設計局的切洛梅早有研制三級火箭的計劃，同時還有選配第四級的方案。1967年3月10日發射升空的那枚質子火箭就是典型。它是第一枚帶有第三級的質子火箭，但同時也裝有Block D上面級作為第四級，純三級構型的質子-K火箭反而要等到1968年11月才首次發射升空。質子-K三級火箭改進后，火箭近地軌道運載能力提高到約21噸，是蘇聯/俄羅斯發射大質量航天器的首選，著名的禮炮系列空間站、和平號空間站以及國際空間站的曙光號和星辰號艙段都是由它發射升空的。

▲質子-M火箭

質子-M火箭是更先進的改進型火箭。該火箭改進了前三級的箭體結構，減輕了火箭的結構重量并對設備進行了現代化改進，另外它還可以選用更先進的微風-M上面級，構成質子-M/微風-M四級火箭，這種四級火箭是俄羅斯進入21世紀后競爭國際商業發射市場的主力軍。

▲微風-M上面級

微風-M上面級性能更好但價格也更貴，俄羅斯人為了省錢仍然選擇Block DM上面級發射光譜-RG望遠鏡。由于2011年制造的這個Block DM-03上面級已經過了保質期，赫魯尼切夫設計局在2018年特意申請經費進行翻新保養，好在Block DM也不負眾望，2019年7月13日發射后連續兩次點火，將光譜-RG望遠鏡順利送入飛向L2的轉移軌道。再經過約3個月的飛行，光譜-RG就能飛到日地L2軌道開展定位測試和觀測了。光譜-RG天文望遠鏡將進行為期6年半的天體物理研究，前4年將對整個天空進行掃描成像，剩下的時間，將根據全球科學界的要求對天體進行具體觀察。有科學家預計，該望遠鏡或將在宇宙中發現約300萬個黑洞。