透视宇宙的中国智造—访“慧眼”硬X射线调制望远镜总指挥兼总设计师潘腾

本刊特约记者 庞丹 潘晨 紫晓

透视宇宙的中国智造—访“慧眼”硬X射线调制望远镜总指挥兼总设计师潘腾

本刊特约记者 庞丹 潘晨 紫晓

China' s Perspective of Universe: an Interview with Pan Teng, Chief Commander and Chief Designer of HXMT Satellite

2017年6月15日，我国“慧眼”硬X射线调制望远镜（HXMT）卫星在众所期盼中奔向太空。这一举世瞩目、自主创新的重大科学工程的实施，不仅填补了我国空间X射线空间望远镜研制的空白，为中国航天的技术进步画上了浓墨重彩的一笔，并且使我国首次具有自主获取高能天体原始观测数据的能力，实现了在高能天体物理领域由地面观测到天地联合观测的跨越式发展，树立了工程与科学、技术与科学紧密结合，推动科技进步的典范。该空间望远镜发射成功后，“慧眼”硬X射线调制望远镜总指挥兼总设计师潘腾接受了本刊记者的专访。

记者：祝贺您继主持研制对地观测亚米级分辨率遥感卫星高分－2之后，又填补了我国空间望远镜研制的一项空白。请您介绍一下该空间望远镜的功能。

潘腾：我们知道，空间传播的电磁波，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等，按照波长或频率、能量的顺序排列起来，就是电磁波谱，X射线是电磁辐射波谱中的一段。人们日常生活中所熟知的具有透视能力的X光，仅仅是整个X射线谱中的一部分。科学界通常把宇宙中的X射线分为两种，能量较高、波长在0.01～0.1nm之间的X射线称为硬X射线；波长在0.1nm以上的则称为软X射线。硬X射线来自最靠近黑洞视界的区域，是探测黑洞和研究黑洞附近物理过程的一个关键窗口，“慧眼”主要对这一波段进行探测。20世纪90年代初，中国科学院高能物理研究所李惕碚院士等提出用调制解调成像的方法，依靠简单成熟的硬件技术，来实现对硬X射线进行高分辨和高灵敏度观测。“慧眼”应用我国科学家独创的这一方法，可以实现宽波段、高灵敏度、高空间分辨率X射线巡天和定点观测，从而探索宇宙空间X射线源；通过对银道面大天区扫描巡天和监测，来发现新的高能爆发源和已知高能天体的新活动，同时还能对黑洞、中子星等天体的高能辐射进行高质量宽波段观测；通过对观测数据的分析解译，来探索黑洞和中子星系统的活动和演化机制、基本性质，有可能催生出高能天体观测突破性成果。因此，该空间望远镜的投入应用将使我国天体物理研究跨上一个新的台阶。

记者：作为我国第一个大型X射线空间望远镜，其工程实施有什么科学意义？

潘腾：该空间望远镜的发射和应用意义重大。从宏观科学上来说，用调制解调方法对空间望远镜探测到的宇宙空间X射线源及其分布等数据信息进行分析，对解析空间存在的诸如超新星爆发、脉冲星推动等宇宙几大科学现象以及演化的规律，丰富对这一空间科学领域未知现象的了解具有重要意义。迄今为止，国际上已经发射30多个X射线空间望远镜，获得了大量的科学观测成果。“慧眼”的发射和投入应用，其探测成果可以在国际上已取得大量成果的基础上，进一步丰富人类X射线天文观测的基础数据，这些数据将进一步加深人类对宇宙空间的认识，科学意义十分突出和明显。从基础研究上来说，我们知道进行空间天文观测的方式有两种，一种是在地面观测，另一种是在空间观测。在地面上观测由于大气的扰动会影响望远镜的分辨率，大气层会阻挡天体发出的很多辐射，被臭氧层吸收的紫外线就无法观测到，X射线也很难穿透整个大气层到达地表。而发射空间望远镜，把望远镜带到空间进行观测是最为高效的方式，所取得的数据有助于推动宇宙空间科学研究的深入。在人类发射的X射线空间望远镜中，仍在轨工作的、最为著名的要数美国“钱德拉X射线天文台”，该卫星目前在轨工作已达16个年头，取得了极其丰富的成果，改变了人类对宇宙的理解。我国发射和应用的“慧眼”是目前少数在轨运行的、非常重要的一颗，将成为2017－2021年国际空间X射线观测主打数据源，对于推动世界空间基础理论研究意义重大。值得指出的是，该卫星取得的观测数据可为我国科学家首次赢得优先使用的权利，同时，按照国际惯例，在我国科学家专项应用一年之后，将面向全世界，这将推动该领域国际合作的深入，促进世界空间科学研究的深入，同时也可以增加这颗卫星的科学产出，提升我国在空间科学研究的国际影响力和地位。X射线是空间电子辐射波谱中比较复杂的一种谱段，很多天体现象的形成都与该谱段有关。我国“慧眼”携带的探测器能谱范围非常宽，可以进行全谱段观测，除了可探测空间X射线外，还可拓展进行γ暴等探测。特别是不仅可将宇宙事件从发生、发展到结束全过程的壮丽景象尽收眼底，还可看到这些景象出现时的时变过程，这对于推动突发天体现象的深入研究具有重大的意义。

从探测方法来讲，我国科学家创新提出了调制解调方法进行数据解译，该方法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，所以同样的数据经直接解调可以得到比传统方法好得多的反演结果，可实现高灵敏度和高分辨率的成像。与复杂和昂贵的编码孔径成像系统相比，分辨率高，同时噪音干扰能被有效抑制，背景异常干净。这种方法具有简单准确的优势，可以极大提高探测定位的精度，其定位精度可以接近可见光探测精度，从而为“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保证。

总之，我国首个X射线空间望远镜项目是我国自主创新的重大科学工程，工程的实施对于推动我国空间大科学系统建设，进一步丰富国际上X射线探测基础数据，加深对宇宙空间的认识意义重大。

记者：与国外同类空间望远镜相比，“慧眼”有哪些突出的优势？

潘腾：从工程和技术指标上来讲，“慧眼”在同类空间望远镜中优势非常明显：首先，功能性能强，既能实现定点观测，又能对大天区进行扫描成像，还能监测空间的高能爆发源；其次，探测波段宽，利用三种探测器，实现了1～250 keV的全覆盖；第三，探测面积大，尤其是高能X射线空间望远镜的探测面积超过了5000cm2，是国际上同能区面积最大的准直型望远镜；第四，工作模式多；第五，平台高可靠。完美的设计和制造技术，使得空间望远镜在各种极端的条件下都能可靠的完成观测、数据星上存贮和及时下传等工作，保证任务可顺利实施。该卫星的研制，对于推动中国航天的技术创新同样具有重要意义。

记者：在工程实施中，研制团队是怎样与用户密切合作，大力协同，战胜困难完成任务的？

潘腾：实际上，20世纪90年代初期，中国空间技术研究院和中国科学院就开始实施X射线空间望远镜项目的论证。2001年初，该项目通过评审。2001年4月26日，新华社正式向外界公布消息，中国将在2005年左右发射一颗自主研制的空间望远镜，把空间望远镜送入太空。后来，又用了10年时间围绕着研制一颗高水平、国际一流的探测科学卫星的目标，对科学目标、工程目标和技术方案进行了多轮反复的研讨与调整。2011年，该空间望远镜正式立项。高水准、高目标的提出，给卫星研制提出了许多新课题、新难点、新挑战。

一是技术难度大，载荷新研制。作为国内首个空间望远镜，涉及到大量的全新探测器设计技术等，因此，研制难度很大。

二是温控技术复杂，载荷限制条件多。“慧眼”基于解调成像方法基础全新研制，载荷质量为981kg，其中望远镜本体质量达到935kg；其有效载荷主要是灵敏的仪器设备，需要在－60～－80℃的低温下才能可靠地工作，必须确保探测望远镜不见太阳、地球和卫星本体，以免辐射增温。同时，安装在同一支架上的高、中、低能探测器对温度指标要求悬殊，指标最大温差达60℃。必须采取主动控温和被动控温相结合的方法，多种温控手段并用，这就需要通过安装遮阳板、采取多极隔热、采用深冷热管技术以及优化观测状态等方法实现载荷要求。

三是工作模式多种，姿态定向方式复杂。该空间望远镜运行轨道为距地球550km的圆轨道，不同于常规太阳同步轨道对地遥感卫星，“慧眼”用户提出的实现全天区扫描的要求，对望远镜观测模式的设计提出了极大的挑战。为实现对全天球的空间天体高灵敏度的观测需求，以及整星能源和散热要求，“慧眼”必须采用倾斜轨道，并采用对日定向慢旋姿态、三轴稳定惯性定向姿态、惯性稳定小角度旋转姿态、三轴稳定轨控定向姿态共四种惯性定向姿态控制方式，且具有大角度姿态机动的能力，从而保证“慧眼”巡天、定点、小天区、银道扫描四种观测模式的实现。同时，探测器对时间要求很高，要求记录每一个到达的X光的准确时间，便于事后分析，因此，必须做到分毫不差。

四是科学载荷地面标定。与国内外过去发射的遥感卫星不同，在“慧眼”发射之前，科学载荷正样件需要经过充分地面标定。载荷地面标定试验为专项试验，且标定周期长，按照国际惯例通常需要4～6个月。

上述这些复杂的要求为整星的总体方案设计与任务规划带来了重重困难。然而，在困难面前我们勇敢面对，结合任务约束与需求，着重对“慧眼”的工作模式展开了深入的论证，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进行了反复专题讨论，完成了多模式下惯性空间定向控制系统深入论证；针对“慧眼”测控与数传任务的特殊性进行了测控与数传方案优化论证，实现了全空间覆盖，可见即可控可传的测控与数传方案；深入进行了惯性空间定向复杂外热流热控技术研究，增加了遮阳板以减小太阳直射热流对载荷低温的影响；简化了热控系统设计等等。通过上述总体深入论证与设计工作，简化了望远镜系统和分系统设计的复杂性难度，实现了有效载荷超低温度要求，满足了整星多种观测模式需求，保证了为有效载荷提供更多的科学数据。值得一提的是，在任务规划安排上，我们尽可能给用户和科学家提供灵活的选择，多种选择保证了探测目标的实现和任务的实施。

记者：业内都高度称赞这个空间望远镜成功开启了中国航天界与科学界联手进行空间科学探测研究的新时代，是科学与技术，工程与科学结合的典范，请您介绍一下这方面的情况。

潘腾：这个空间望远镜由中国空间技术研究院总体部承担卫星平台的研制，中国科学院高能物理研究所承担科学目标的提出和卫星有效载荷的研制。研制“慧眼”对于我们双方都是第一次。我们需要充分了解用户的科学目标和任务需求，用户需要充分了解航天的标准法规和套路。这种情况要求我们必须实现工程与科学的深度融合，才能目标一致，相互了解，密切配合，达到目标。5年多来，我们按照王希季院士的希望和要求，在工程与技术、工程与科学、航天领域与科学研究领域深度融合上进行了积极的探索与实践。主要表现在以下四个方面。

一是围绕科学目标的实现突破空间望远镜工程关键技术。在“慧眼”的工程研制中，我们一直不断加深对工程科学目标的理解，结合科学目标和用户的要求突破相关关键技术，从“慧眼”工程上来努力实现。也就是说，每一个技术问题的突破，用户每一项要求的提出，工程进展的每一步，都是与用户部门的科学家们一道研究解决和实现的，从而，为科学目标的实现提供了有力技术支撑。

二是按照航天标准规范研制科学载荷。由于用户方也是有效载荷研制方，在合作之初，我们按照中国空间技术研究院确保成功的“基本法”规范有效载荷的研制工作，促使了用户研制快速进入工程状态。面对此种情况，我们就对他们进行航天标准和规章制度、法规等培训，使他们逐渐加深对航天标准、流程和质量管理措施的理解，形成共同的理念，共同的使命，共同的目标。在共同努力下，使任务步步顺利推进，保证了进度和质量。同时，通过工程实践也帮助用户培养了一支航天产品的研制队伍。

三是高质量进行产品配套研制。在科学载荷研制中，中国空间技术研究院承担了大量的产品配套工作，比如，高、中、低能望远镜的处理电路由中国科学院高能物理研究所设计，中国空间技术研究院山东航天电子技术研究所承制，装配由北京卫星制造厂实施。只要科学家有需要，我们都责无旁贷地提供保障。

四是高精度实施试验验证。比如，在望远镜的环境验证上，中国空间技术研究院在科研生产任务十分繁重的情况下提供了大量的支持。再比如，与发射的其他卫星不同，“慧眼”有效载荷研制有一个特殊的要求就是射前标定，以取得有效载荷能量响应函数、探测效率、温度响应等载荷核心技术数据，以便与“慧眼”在轨实测数据进行比对分析，检测确定产品的基本状态，该标定试验结果将直接关系到“慧眼”在轨观测结果的正确性、有效性和适用性。我们与科学家们一道完成了充分详细、系统全面的标定工作，为X射线空间望远镜提供可信可用的观测数据提供了成品。

通过上述工作，我们实现了在空间科学领域工程与技术，科学家与航天人的完美融合。因此可以说，“慧眼”项目的成功，是中国空间技术研究院和中科院高能所两个“国家队”在空间科学领域成功合作的典范，在用中国的理论、中国的卫星，托举起中国天文望远镜，为中国和世界科学家提供了丰富的经验。

记者：“慧眼”填补了我国在该领域的空白，作为总设计师，您怎样评价研制它所取得的成果？

潘腾：概括起来主要是高水平、高可靠、低成本、国产化。首先，作为世界上同类空间望远镜中工作模式最多的卫星，“慧眼”无论从平台的设计、姿态的控制到温度的控制，都是数一数二的，体现出世界一流的水平。其次，采用相对成熟的卫星平台，通过设计软件，设置工作模式，提升平台功能，巧妙的设计，与众不同的方法，支撑全天区观测、高低温工作载荷的工作，实现了低成本。再有，卫星单机部件全部实现了国产化，这些单机部件已经过中国空间技术研究院多颗卫星的成功应用，在可靠性、长寿命上经受了考验。

因此，“慧眼”设计寿命4年，按照低轨卫星设计，我们感到运行5年以上应该没有问题。特别需要指出的是，“慧眼”的研制，充分吸收了中国空间技术研究院几十年来卫星工程的成功经验和技术成果，充分体现出研制队伍满足用户需要进行产品设计制造的创新能力，充分展现了中国空间技术研究院在空间科学卫星领域研制成本更低，速度更快、可实现方法多，可拓展能力强的雄厚实力，同时中国空间技术研究院完整配套的科研生产体系，以及功能完备、世界一流的试验验证设施与技术，充分彰显出多领域、多平台、全方位服务科学探测和应用的能力，这些能力和水平可以保证我们按照用户提出的任意要求量身定制，也就是说，只要有关领域有需要，科学家有需求，我们就做得到。