我国首颗X射线天文卫星如何炼成

邱晨辉+庞丹+潘晨

与以往发射的中国卫星不同，硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”甫一亮相就得到国际广泛的关注。这不仅因为它是我国第一颗X射线天文望远镜卫星，开辟了通过宇宙探索新窗口寻求物理科学突破的新纪元，更是因为它赶在美国NASA“超越爱因斯坦计划”黑洞发现者之前上天，成为国际上发现黑洞的一大利器。

正如美国“超越爱因斯坦计划”新一代黑洞发现者候选项目EXIST首席科学家所说：“中国硬X射线调制望远镜卫星，将是今后这段时期中研究黑洞动力学过程独一无二的，是X射线天文学发展史上的一座里程碑。”

尽管在中国“慧眼”之前，国际上已有7颗同类型卫星，但这并不妨碍人们对这位“太空新秀”寄予厚望。那么这颗卫星究竟有何绝技，又是如何炼成的？记者采访了相关专家进行揭秘。

全天时观测：睁开大眼后便不再闭上

从外形和体格来看，“慧眼”卫星并不算大，只有2.5吨，不过能量却不小。航天科技集团五院硬X射线调制望远镜卫星总指挥兼总设计师潘腾说，从工程和技术指标上讲，这颗卫星在同类卫星中优势非常明显，其功能性能非常强，可对宇宙天体高能事件实现全天时、大范围观测。

换句话说，“慧眼”进入太空后就会睁开明亮的大眼，无论白天还是黑夜，24小时分秒必争，“狠狠地”盯着全宇宙，一刻也不停息地洞察着不为人知的黑洞或者是突然爆发的天文现象。

如果把“慧眼”比拟为一名战士，那么以它为圆心，全宇宙都将是它的战场，在4年多的寿命中，它不停地旋转，“大范围观测着宇宙，360度无死角，宇宙无疆，视野无涯，这就是它超强的本领。”潘腾说。

细究“慧眼”即硬X射线调制望远镜卫星的名字，其中“调制”二字让很多人不解。硬X射线调制卫星系统载荷分系统专家、中科院高能所研究员宋黎明解释，这是中国科学家提出的一种原创性设计理念，用简单成熟的硬件技术便可实现高分辨和高灵敏度硬X射线成像观测。

與欧美的编码孔径成像技术不同，“慧眼”采用的是直接解调方法反演成像技术。宋黎明说，与复杂、昂贵的编码孔径成像系统相比，直接解调方法具有简单准确的优势。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，同样的数据经“直接解调”方法可以得到比传统方法好得多的反演结果，分辨率高，同时噪音干扰被有效抑制，背景异常干净，可以极大提高探测定位的精度。

宋黎明表示，这些为“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了保证。

数据传输：一场“没有关机重启”的直播

作为一个全天时工作的天文观测卫星，“慧眼”的数据传输系统被形象地称为“24小时无间断”且“没有关机重启”的直播。

对一般卫星而言，对受到影响的卫星设备实施“关机重启”，是“纠正错误”的一种被动选择。不过，航天科技集团五院硬X射线调制望远镜卫星数据传输分系统技术负责人许兴说，针对“需要数据传输分系统4年不间断工作”的“慧眼”来说，关机重启就意味着数据中断，太空信使的任务目标就无法实现。

于是，科研人员给“慧眼”配了一名专属的“太空信使”—数据传输分系统，它的主要功能是将硬X射线望远镜搜集到的数据，实时传输到数据记录系统或通过无线方式传输到地面接收站。

许兴说，这是一个忠诚、勤劳、专业的太空信使。我国硬X射线调制望远镜卫星将在轨服役4年。这4年里，它将一刻无休地进行观测，也意味着4年间卫星的数据传输分系统在轨不间断工作，“这在其他卫星上从未有过”。

这要求数据传输分系统这个“太空信使”身体倍儿棒。许兴说，科研人员要像保健医生一样，通过抗辐照加固、三模冗余、定时刷新等手段提高产品“器官”自身抵抗力及自愈能力，确保这些“器官”可以抵御各种风险，正常工作。

太空中的强辐射对卫星的敏感器件来说可是“致命杀手”。研制人员在卫星容易受辐射影响的部位加厚防辐射包裹—类似于孕期的准妈妈常穿着防辐射服来保护腹中的宝宝。

当然，这一层威胁还较容易得到化解，但是免于“单粒子翻转”对卫星芯片等产品的影响要复杂和艰难得多。

所谓单粒子翻转，是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑状态翻转的现象。许兴说，卫星和地面计算机一样，数据均是采用二进制的“0”“1”来存储、传输和读取。单粒子不定期来袭时，数据传输分系统的某些器件一旦受到高能单粒子的撞击，就会使存储的“0”变成“1”，或者“1”变为“0”，导致数据严重错误，重者会导致传输中断，更别说正确解读、实时传输天文数据了。

按照他的说法，卫星上的一台台产品就好比人体的一个个器官，太空辐射、粒子则像数不胜数的致病细菌，这些细菌时刻企图侵蚀到“器官”内部，严重威胁着“器官”的健康。

许兴说，他所在的航天科技集团五院设计师便将重要数据分别存储3次，也就是给1个数据做了两个备份。如果数据被高能单粒子这个细菌篡改，系统会根据另外两个没有被改变的数据，进行自我修复。

“挑剔”的望远镜：把大象放进冰箱里需要几步

从值守的位置来看，“慧眼”要在距离地面550千米的高度上运行，属于低轨运行，也意味着这颗卫星要遭受来自太阳、地球和月亮三方面的影响。

“慧眼”卫星工程总师、航天科技集团五院研究员马世俊说，“慧眼”承载了中、高、低能望远镜，这些灵敏的仪器设备需要在-60℃到-80℃的低温下才能进行可靠的工作，而且必须确保望远镜不见太阳，“直射斜射都不行，以免辐射增温，增加探测器的噪声”。

马世俊说，这么“冷”而且“挑剔”的工作环境要求，在我国所有卫星研制中还是头一遭。究竟有多难，科研人员打了一个形象的比方：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。但如今多了“中能”和“低能”的方案，就好比大象的不同部位喜欢上了不同的温度，这时就需要将整只大象同时放进一个三开门的冰箱里。

想要让“大象心情愉悦”，航天科技集团五院专家告诉记者，科研人员不但运用了多级隔热措施保护控制漏热、国内技术数一数二的深冷热管技术、梯度温度加热实现防污染控制等听上去酷炫的“黑科技”，还很温馨地给卫星戴上了一顶“太阳帽”—遮阳板。

“有了这个遮阳板，阳光永远只能从遮阳板这一面过来。”可以想象，当卫星运行到太阳和地球之间时，它的视场会受到较大限制。此外，这位专家还告诉记者，科研团队还采取主动和被动控温相结合的方法，采取多极隔热、深冷热管技术以及优化观测状态等手段，多管齐下，尽可能满足卫星中“乘客”即有效载荷的苛刻需求。

（本文转自《中国青年报》）