硬X射线调制望远镜卫星总体方案及技术特点

张龙 倪润立 顾荃莹 黄美丽 赵峭 宋江波 王瑶

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

受到地球大气的吸收,宇宙X射线很难被地面探测,而天体的X射线辐射是研究宇宙结构和物理规律的重要载体,并促使空间X射线天文学成为空间天文学发展最快的分支之一[1]。硬X射线天文观测相比其它能区天文观测的明显不足,2012年发射的核光谱望远镜阵列卫星(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,NuSTAR)只能将高能区拓展到79 ke V[2],而且面积不大,在天体硬X射线时变探测方面能力受到限制。

HXMT卫星装有既能实现大视场快速成像,又可以对特殊天体进行高统计量高精度观测的硬X射线望远镜,可以为我们提供研究极端物理条件下的物理规律提供重要的新手段。硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星需要长期对宇宙X射线进行观测,这就导致卫星没有固定的对地面,对地球、太阳等的相对姿态变化大,带来卫星能源、测控、数传、热控等方面的设计困难,因此需要卫星方案进行优化设计,降低各分系统的设计约束和难度。卫星装载我国自主研制的空间X射线望远镜载荷,解决了空间硬X射线成像探测难题,实现了宽谱段、大有效面积和高时间分辨率的空间X射线探测和国际领先的200 keV～3 MeV能区伽马暴监测。通过卫星在轨测试以及正式使用,卫星各项技术指标满足任务需求要求,同时因其具有在宽能区X射线探测能力,而成为我国乃至国际上重要的X射线空间天文设备。

本文根据HXMT卫星的需求特点,概述了解决上述问题的解决思路和卫星配置,重点针对硬X射线成像观测、惯性空间下的观测模式设计、测控数传天线解决方案等卫星特点和难点问题解决方案进行了论述,通过卫星在轨测试表明,卫星各项指标满足任务要求。

1 卫星方案设计

1.1 技术方案概述

HXMT卫星基于任务特点,充分借鉴了中国空间技术研究院的成熟卫星技术,并在此基础上进行适应性改进和创新,实现了对长期惯性空间定向观测卫星的总体方案设计。卫星采用分舱设计,承力结构采用中心承力筒加蜂窝夹层板结构,外形呈立方体构型,分为服务舱和载荷舱、太阳翼、对接段和星箭连接分离装置等部分。卫星发射状态如图1所示,在轨飞行状态见图2。为了提高卫星探测灵敏度和有效观测时间,降低空间环境对探测器产生的本底,同时考虑测控、数传以及燃料消耗等约束,卫星选择了倾角43°,轨道高度550 km的圆轨道,可有效避开范艾伦带及空间环境的影响。图3所示为不同轨道倾角下电子和质子对有效观测时间影响。整星能源采用太阳翼加蓄电池联合供电体制,为整星提供28 V供电,二次电源采用集中管理和分散管理相结合的配电体制,由主配电器完成整星一次电源分配;直流/直流变换器提供二次电源。控制系统采用三轴稳定控制及单组元推进系统,配置6台25 N·m·s的动量轮以及3个200 A·m2的磁力矩器,实现大角度、可变速率姿态机动。为了解决全空间无固定对地面观测任务的测控问题,采用两台USB应答机,4副天线两两组阵实现全空间测控,使用双GPS天线合路方式,保证卫星任意姿态下的定位和校时,绝对时间精度优于10μs。通过整星观测模式设计以及遮阳板的使用,保障了望远镜载荷热环境,采用多级隔热、重点设备主动加热、载荷与热控一体化设计以及深冷热管的应用实现了高能望远镜的高精度控温(18℃±2℃),中能望远镜(－50～－10℃)和低能望远镜(－80～－42℃)的低温控制。

图1 卫星发射状态示意图Fig.1 Schematic diagram of satellite launch status

图2 卫星在轨飞行状态示意图Fig.2 Schematic daigram of satellite on orbit flight condition

图3 550 km高度不同倾角质子和电子导致无效观测时间占比Fig.3 Influence of proton and electron at different altitude angles of 550km altitude

根据科学目标任务[3],卫星有效载荷配置18个主探测器、3个中能探测器、3个低能探测器以及1个空间环境监测器等4类载荷,实现观测能区覆盖1～250 ke V,角分辨率优于5′,探测灵敏度优于0.5 mCrab(105s),定位精度优于1′,能量分辨率优于19%(在60 keV时)的空间X射线观测以及卫星所处空间环境的测量。利用宽波束角数传天线设计、变速率数据传输设计,实现60 Mbit/s或120 Mbit/s数传传输速率的任意对地姿态数据传输,结合卫星配置2×512 Gbyte大容量固态存储器以及优化的数据存储和下传策略设计满足载荷在轨数据存储和数据下传的不同要求。

1.2 卫星主要技术指标

HXMT卫星发射入轨后,在测控系统、地面应用系统的支持下,通过对1～250 ke V能区的X射线以及200 keV～3 MeV伽马暴的天文观测可以完成对众多天体目标及其天体现象深入全面的科学研究。卫星主要技术指标如表1所示。

表1 卫星主要技术指标Table 1 The key technical parameters of HXMT satellite

2 卫星技术特点

2.1 大视场、准直型X射线成像技术

相比低能区,高能区X射线成像困难得多。20世纪90年代欧洲和美国先后开始研制编码孔径成像的硬X射线卫星,如“国际伽马射天文实验室”(INTEGRAL)、伽马暴快速反应探测器(Swift)等[4-5]。我国学者在20世纪90年代初提出直接解调方法[6],用简单成熟的准直型无成像功能硬件技术组合可以实现高分辨和高灵敏度成像观测。与复杂和昂贵的编码孔径成像系统相比,HXMT卫星采用此方法设计准直型探测器,并结合卫星的扫描模式获得观测数据直接解调成像,角分辨率优于1.41′,对X射线源的定位精度优于44″,远好于Swift卫星暴发警示望远镜(Burst Alert Telescope,BAT)的17′角分辨率[7]。

2.2 X射线源高精度定位技术

HXMT卫星重要任务之一是监测和发现X射线源,需要对X射线源进行高精度定位,并引导地面和空间观测设备进行联合观测。为此,卫星总体从系统顶层对影响定位精度的因素进行分析,针对X射线成像观测特点,对各环节如望远镜成像精度、卫星指向精度、时间同步精度等进行分解,并重点对影响定位精度的星敏支架、望远镜主结构、望远镜的成像影响因素等进行了机、热一体化的分析和仿真,结果表明卫星对X射线源的定位精度优于51″,在轨评估定位精度44″,满足任务1′的指标要求。在工程研制过程中,利用整星验证试验开展卫星热变形测量,验证了X射线源定位设计的正确性。

2.3 惯性空间定向下的多工作模式设计

HXMT卫星的多科学目标要求卫星具有多种观测模式,各种观测模式间需要设计相互切换,同时还需要兼顾整星的能源、热控等系统的设计。据此,卫星设计了巡天观测、定点观测、小天区观测等观测模式,分别满足全天球巡天监视成像、对X射线源长时间观测、对重点区域的长时间观测和成像、对银道面多次覆盖扫描观测以及对伽马暴的监测等任务,同时根据载荷和平台的维护需求,设计了载荷定标观测模式和轨道控制工作模式,适应望远镜载荷在轨标定的特殊需求和卫星轨道控制时载荷和卫星平台的约束要求。图4所示为对日定向巡天观测等效示意图,通过卫星对日慢旋转以及太阳的周年运动,实现全天球的巡天,同时保证了卫星的能源、热控、数传的设计。为了保证卫星多工作模式下的好用易用性,对各种工作模式及其切换进行参数化和模块化设计,用户只需对观测模式、观测参数以及模式切换方式进行选择和设置即可完成观测任务设定。

图4 对日定向巡天观测等效示意图Fig.4 Sketch diagram of sky survey mode

2.4 无固定对地面的对地测控数传天线设计

HXMT卫星主要采用惯性空间定向姿态,且空间指向范围覆盖全天球任意方向。星体可能以任意指向对地,因此为保证对地的测控和数传以及对天的GPS的指向要求,卫星采用了全向测控、数传天线设计。为此测控任务采用4副天线,两两组阵,可实现上行链路的全空间覆盖。GPS采用两个天线组阵的形式实现近全空间覆盖,以确保在任意姿态都能够捕获到足够多颗GPS卫星,确保定位。

为了保证可数传时间以及链路质量,HXMT卫星上设计了两副宽波束均匀增益数传天线,两副天线可实现全空间分时覆盖。在轨期间根据实际情况选择对地条件好的天线作为当班天线进行数据传输。

通过以上设计,保证了卫星不间断科学观测任务的测控、数传任务以及高精度时间需求。

2.5 同结构大温差载荷温度控制设计

HXMT卫星主载荷为高能望远镜(18℃±2℃)、中能望远镜(－50～－10℃)、低能望远镜(－80～－42℃),3种载荷安装在一个结构面上,为了在一个安装结构上满足温差达60℃的温度指标要求,卫星开展如下工作:

(1)通过卫星观测模式设计以及遮阳板设计,保证有效载荷具有相对稳定的外热流环境和固定散热面空间。

(2)对高能、中能和低能望远镜采用一体化的多级隔热措施,在望远镜设计之初将热设计作为重要设计约束条件考虑,保证热设计的针对性和有效性,降低了不同望远镜之间的热耦合效应。

(3)增加望远镜整体及单体望远镜的散热面积,充分利用望远镜自身结构和探测器安装特点,将望远镜的散热面积最大化,同时利用合理热管布局,特别是深冷热管的应用,保障了中能和低能望远镜的低温需求和温度均匀性需求。

2.6 适应载荷长期工作的自主安全设计

为了适应HXMT卫星望远镜载荷长期开机、时间精度要求高、观测模式多、自主控制复杂且卫星具有长期不过境(12 h)等特点,卫星设计了多种自主安全管理措施。针对载荷长期开机下的数传和存储空间环境适应性开展专项设计,核心控制和参数存储采取了全三模设计,并开展了地面试验验证。针对时间精度要求高,对GPS接收机设计了自主加断电设计;针对卫星经过南大西洋异常(SAA)区设计了SAA区载荷自主保护设计;针对星上自主执行观测规划,对输入目标合理性要求高的特点,设计了观测目标智能判断以及载荷温度异常升高自主处理功能,通过以上自主安全功能的设计,既可以保障望远镜长期在轨稳定不间断观测,同时可对卫星长时间不在测控区的故障进行自主处理,保证卫星的安全。卫星在轨1年多的时间里,尚未发生异常触发自主安全设计功能的事件。

2.7 多频段、大视场、高灵敏望远镜设计

HXMT卫星望远镜载荷是我国首台大型空间X射线探测设备,其具备宽谱段能力,低能望远镜覆盖1～15 ke V,中能望远镜覆盖5～30 ke V,高能望远镜覆盖20～250 ke V,同时具有软伽马射线探测能力200 ke V～3 Me V;望远镜视场分别为5.7°×5.7°、4°×4°和4°×6°,在保证大视场的同时望远镜的探测灵敏度达到0.5 m Crab(105s)。三种望远镜均采用准直器作为光子收集前端,中能和低能望远镜采用硅探测器,高能望远镜采用复合晶体探测器。在研制过程中攻克了高能望远镜大信号问题、晶体封装,中能望远镜大面积Si-PIN探测器技术,低能望远镜热控技术及遮光膜技术等难点。

3 在轨使用效能

HXMT卫星于2017年6月15日发射入轨,至2017年11月,先后完成了卫星平台测试、有效载荷初始工作状态设置、有效载荷功能性能测试以及工作参数设置及优化、地面应用系统天地一体化测试、在轨标定和卫星初步应用等测试工作。在轨测试结果表明,卫星各项功能、性能满足卫星工程研制总要求,有效载荷工作原理和科学应用系统得到验证,取得了初步科学成果,表明卫星工程系统具有实现预期科学目标的能力。

目前卫星已在轨运行1周年,完成了对核心科学目标源的观测,包括:全银道面、脉冲星、超新星遗迹、黑洞双星、中子星双星、银河系外天体源和空天区。目前,HXMT卫星已对45个核心目标天体进行了多轮次定点观测;对银道面全部22个区域进行了508次小天区扫描观测[8];对蟹状星云天区进行了9次小天区扫描观测;同时测试了巡天扫描模式。获得了引力波电磁对应体监测、伽马暴的发现与监测等多项初步科学成果[1]。

4 结束语

HXMT卫星作为我国首颗X射线天文观测卫星,突破了准直型X射线载荷成像技术、全空间观测下的多观测模式设计及全空间测控和数据传输技术等关键技术,实现了具有多波段、大视场、高灵敏度观测特点的X射线观测卫星在轨实施,结束了我国空间X射线天文研究只能使用国外卫星数据的历史,推动了我国空间高能物理的研究。

参考文献(References)

[1]Pan Teng,Ni Runli,Zhang Long,et al．Insight-HXMT:China’s first X-ray astronomical satellite[J]．Aerospace China,2017,18(4):3-12

[2]F A Harrison,Steve Boggs,Finn Christensen,et al．The Nuclear Spectroscopic Telescope Array(NuSTAR)[C]//2010 Space Telescopes and Instrumentation．Albuquerque:SPIE,2010

[3]LI T P．Science with the hard X-ray modulation telescope[J]．Int．J,Mod．Phys．,2013,22:1-8

[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

[5]N Gehrels．The swiftγ-ray burst mission[J]．New Astronomy Reviews,2004,48(5-6):431-435

[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]中国科学院高能所．硬X射线调制望远镜已观测列表[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)