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以Hard模式开启中国X射线空间天文探测首秀

时间:2017年06月16日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:

在酒泉卫星发射中心技术区后面,有一座狼心山。据本地人说,“山上的石头很漂亮,如果幸运的话还能捡到玛瑙”。刚到基地伊始,来自航天科技集团五院的试验队员们常利用空闲时间兴致勃勃地慕名前往,但是采撷回来的终究也不过是几块漂亮的石头。其实多年来,去传说中的“玛瑙神山”拜访的人们络绎不绝,有显赫收获的却寥寥无几。

我国空间高能天文物理研究领域一直以来也在挖掘着外国人的“狼心山”。从1960年开始,国外已经发射了近百颗空间天文探测卫星,然而卫星传回来的应用数据能够提供给中国科学家们时,已经是几年后的事情,我们只能在人家挑剩的数据里寻找“玛瑙”,获得的成果里还要标注上数据的出处。

这一切,将在今年六月得到扭转,硬X射线调制望远镜卫星的发射升空,将在浩瀚的宇宙架设起中国人自己的空间天文台,我国长期在空间高能天体物理领域没有自主数据的历史将结束!

然而,回顾这颗寄托着中国科学家们满满厚望和情怀的卫星的研制历程,却充满了艰辛和曲折。

电子游戏的开头,都会进行模式选择,“Easy?Normal?Hard?”。作为中国第一颗天文台级别的空间天文探测卫星,中国科学家们和卫星工程单位又会如何选择难度?抛开漫长的论证时期不谈,硬X射线调制望远镜卫星从2011年正式立项到2017年发射,历时整整6年的时间。这6年时间里,苹果手机已经从第四代升级到了第十代。

“不能像手机一样一代代升级吗?”

“绝对不能降低难度!天文探测必须在国际上占据前沿位置”——参与卫星研制的一位年长的老师如是说。

首先,空间科学卫星的立项是非常困难的,2008年在立项遇到瓶颈的情况下,何泽慧院士两次致信温家宝总理,呼吁关注HXMT项目,“HXMT项目是中国实现学科重大前沿跨越式发展的一个难得的机会,是抓住利用方法的原始创新在一个新领域取得突破的机会”。因此,对这来之不易的机会,卫星研制团队牢记使命,格外珍惜。其次,和应用卫星不同,空间科学探测作为前沿科学研究必须是“最超前的”,这样才能占据科学的制高点,才能在国际上拥有话语权。2016年同样也具备X射线探测功能的日本旗舰级天文卫星“瞳”在轨失控,日本科学家扼腕叹息道“我们错过了新科学”。面对着国外同领域激烈的竞争态势,HXMT的研制团队在和时间赛跑的同时,也必须不断地增加科学砝码。

所以从一开场,硬X射线调制望远镜卫星的研制就被设置为了“Hard模式”。Hard既可以翻译为难度,更可以翻译为艰难。为此,承担卫星抓总研制任务的航天科技集团五院总体部和承担科学目标提出、有效载荷研制的中科院高能物理研究所两只“国家队”付出了极其艰辛的努力。

硬X射线调制望远镜卫星和同类卫星相比有个非常明显的优势,就是探测波段宽,利用高能、中能、低能三种探测器,实现了1-250keV的全覆盖,还可以扩展到3Mev伽马暴探测。卫星最早论证的时候,只有高能探测器和空间环境监测器两种有效载荷,中能和低能探测器的研发则是卫星研制团队为了先进性和创新性在难度上主动增加的砝码。为此,研制团队对卫星的总体设计方案进行了颠覆性的修改,对研制难度较大的控制、测控、数传、热控等分系统的技术方案也反复进行深入的技术研究和论证。

以卫星的热控设计为例,为了保证有效载荷探测精度,必须将高能、中能、低能探测器均集中安装在同一个支撑结构上,但是三个有效载荷对温度的要求各异,指标要求最大相差达80多度。做个形象的比喻: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。现在,大象的不同部位喜欢上了不同的温度,需要将整只大象放进一个三开门的冰箱里。为了让“大象心情愉悦”,总体部在卫星热控设计拿出了最深厚的技术储备,发挥了极致的巧思。不但运用了多级隔热措施保护控制漏热、国内技术No.1的深冷热管技术、梯度温度加热实现防污染控制等等听上去酷炫的“黑科技”,还很温馨地给卫星带上了一顶“太阳帽”(遮阳板)。可以说,硬X射线调制望远镜卫星虽然采用的是成熟的卫星平台,但是为了科学目标的实现,卫星进行了大量个性化定制,不论从平台设计、姿态控制、温度控制设计,都体现了世界一流水平,多项技术填补了国内空白,工程、科学、技术在这里得到了完美的融合。

有效载荷是一颗卫星的灵魂,硬X射线调制望远镜卫星有效载荷凝结了国内众多科学家近30多年的心血,从理论到实验室再到工程实现,整个过程异常的艰难。研制团队里流传着这么一句话“中能难,难于上青天”!中能X射线探测敏感器元件SI-PIN实现了全国产化,打破了国外在核心器件上的垄断。然而,在从原理样机走出实验室进行工程化实现过程中,元器件在苛刻的环境试验中屡次失效,非密封封装工艺难以实现,nA级微弱电流检测难题……总之,“所有想到的想不到的问题都出现了”。中能探测器直到2016年初才完成了标定,一直都在让人揪心地和时间赛跑着。

困难面前,卫星平台和用户载荷两个研制单位紧密地结合在了一起,共同保证型号进度和卫星的质量。五院提供给载荷单位航天已有的成熟工程经验,在项目管理方面,从载荷单位的二次外协着手,把电子、热控分系统单机电装、望远镜结构的生产装配、以及整个载荷产品的总装拉到五院单位,整个载荷产品热控实施、部分地面工装也由五院承担。并将载荷外协任务纳入五院科研生产管理考核体系,用院考核节点对进度进行考核;在质量管理方面,严格按照五院质量保证要求进行载荷的质量控制,提供了大量的工艺支持,甚至为了载荷使用的某一个元器件专门出了质量保证方案。在载荷研制最艰难的一年时间里,总体部研制人员几乎每周五下午都会去到对方单位,共同讨论技术难题,安排好工作周末继续奋战。正所谓“何惧征途苦,同为'慧眼'飞”,五院和中科院在艰难岁月里趟出了一条优势互补、深度融合的新路。

曾经问试验队里的一位老专家“假如一万个万一,卫星没有成功,还会有备份星吗?”老专家回答说“没有了,就这一次这一颗星了。太难了,太难了……”说者哽咽,听者红了眼眶。在Hard模式下成长起来的硬X射线调制望远镜卫星承载了太多人满满的情怀。从地球到太空、从想象到现实、从憧憬到探索,让我们一起期待中国X射线空间天文探测首秀取得丰硕的成果!



(作者:周寻)
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