俄德合作空间天文望远镜飞向日-地L2轨道

文/张雪松

▲光谱-RG发射升空

▲质子Block DM发射光谱-RG望远镜

7月13日晚8时30分，俄罗斯和德国联合研制的光谱-RG（SPEKTRRG）望远镜由质子-M型火箭发射升空。质子-M火箭使用了Block DM常温上面级把光谱-RG望远镜送往日-地L2轨道，Block DM上面级两次成功点火后，光谱-RG望远镜已经进入前往L2轨道的旅程。需花费3个多月的时间，它才能在L2点进行X射线天文观测。

望远镜好事多磨推迟多

光谱-RG望远镜发射质量约2.7吨，其中科学载荷质量高达1.2吨，包括德国马克斯·普朗克地外物理学研究所提供的沃尔特型望远镜“成像望远镜阵列扩展伦琴巡天”（eRosita），另外它还携带了俄罗斯空间研究所/全俄实验物理研究所提供的编码掩膜成像望远镜”天文伦琴望远镜-X射线集光器（ART-XS）。光谱-RG空间望远镜的设计工作寿命为6年半，使用X波段下行传输观测数据，传输速率可达每秒512千比特。它的太阳翼可以提供约1.8千瓦的电力，而载荷电力消耗不超过590瓦，供电能力绰绰有余。

光谱-RG望远镜是俄罗斯和德国国际合作的产物，虽然望远镜的发射以及平台制造都由俄罗斯负责，但这部望远镜最关键的核心载荷eRosita却是由德国提供的，天文学界很多人干脆用eRosita这个载荷称呼这部望远镜。目前在日本的瞳（Hitomi）X射线望远镜发射后因故障解体，在美国的斯皮策红外望远镜退役而哈勃空间望远镜退役在即，下一代韦伯空间望远镜始终无法上天的时候，光谱-RGX射线望远镜的成功发射算是难得的好消息。它是俄罗斯在苏联解体以后最具雄心的空间科学项目。

光谱-RG望远镜的主要目标是观测宇宙中的遥远天体的X射线图像。早在遥远的1987年12月31日，苏联科学院就启动了光谱-RG项目，当然X射线观测载荷也是由本国负责。原计划这部空间天文望远镜1993年发射，但苏联末期和俄罗斯初期国家经济和财政的崩溃，让这样的设想成为泡影。俄罗斯把所有的空间科学预算都转移到久拖不决的火星-94计划，也就是后来发射失败的火星-96计划。火星-96发射失败，给了俄罗斯航天沉重一击，但随后俄罗斯人把光谱系列空间天文望远镜列为优先发展的项目，而光谱-RG是其中的最优先目标。即使有了这些有利因素，20世纪90年代的光谱-RG望远镜仍然缺乏预算，它最初的科学目标又已经被欧洲填补，整个项目无疾而终。不过俄罗斯科学院始终将光谱-RG项目的名称保留下来。随着俄罗斯财政的改善，光谱-RG望远镜在2004年得以重生，成为一个更小也更廉价的项目。2009年俄罗斯和德国达成协议，“光谱-RG”将携带来自德国的新一代X射线观测载荷，在X射线和伽马射线范围进行观测，研究中子星、超新星、黑洞和星系核。光谱-RG望远镜的工作轨道还从地球大椭圆轨道改为更有利于天文观测的日地L2轨道。经历了30多年的坎坷历程，它将是俄罗斯天体物理学家三十年来X射线天文观测的高峰。

▲光谱-RG示意图

光谱-RG望远镜堪称好事多磨的典型。这不仅体现在它从1987年开始的生生死死上，即使俄罗斯和德国开展国际合作后，仍然出现了连续的推迟。光谱-RG望远镜由俄罗斯的拉沃契金设计局负责研制，“拉沃契金”在苏联时代就是行星际探测器等空间探测项目的主力，eRosita早在2014年9月就在拉沃契金设计局通过了地面测试，2015年6月进行最后的整合测试。光谱-RG望远镜发射时间初步定在2016年3月26日，然而2014年爆发了俄罗斯和乌克兰的冲突，而光谱-RG望远镜原定使用乌克兰南方局的天顶-SB火箭，发射因此被迫推迟。美国以乌克兰危机为理由对俄罗斯实施禁运封锁，导致德国不得不改进eRosita载荷，规避敏感航天元器件的禁运。这就直接导致2016年4月eRosita才完成制造，俄罗斯也需要把X波段测控系统的西方电子元件更换为俄制电子元件。这些因素综合起来，发射时间一推再推从2016年一路推迟到2019年，最后发射载具也换成了俄罗斯的质子-M型火箭。

▲发射光谱-RG的质子火箭运往发射场

▲“光谱-RG”和火箭上面级组合

▲“光谱-RG”和上面级-Block DM

▲“光谱-RG”天文望远镜

▲“光谱-RG”进整流罩

老骥伏枥的质子火箭

光谱-RG望远镜使用俄罗斯赫鲁尼切夫设计局的质子-M运载火箭发射。这种大型火箭历史悠久，直到现在还是俄罗斯航天发射的主力军，可谓老当益壮。

最早的质子号火箭是一种二级液体火箭，近地轨道运载能力仅有10吨出头，不过OKB-52设计局的切洛梅早有研制三级火箭的计划，同时还有选配第四级的方案。1967年3月10日发射升空的那枚质子火箭就是典型。它是第一枚带有第三级的质子火箭，但同时也装有Block D上面级作为第四级，纯三级构型的质子-K火箭反而要等到1968年11月才首次发射升空。质子-K三级火箭改进后，火箭近地轨道运载能力提高到约21吨，是苏联/俄罗斯发射大质量航天器的首选，著名的礼炮系列空间站、和平号空间站以及国际空间站的曙光号和星辰号舱段都是由它发射升空的。

▲质子-M火箭

质子-M火箭是更先进的改进型火箭。该火箭改进了前三级的箭体结构，减轻了火箭的结构重量并对设备进行了现代化改进，另外它还可以选用更先进的微风-M上面级，构成质子-M/微风-M四级火箭，这种四级火箭是俄罗斯进入21世纪后竞争国际商业发射市场的主力军。

▲微风-M上面级

微风-M上面级性能更好但价格也更贵，俄罗斯人为了省钱仍然选择Block DM上面级发射光谱-RG望远镜。由于2011年制造的这个Block DM-03上面级已经过了保质期，赫鲁尼切夫设计局在2018年特意申请经费进行翻新保养，好在Block DM也不负众望，2019年7月13日发射后连续两次点火，将光谱-RG望远镜顺利送入飞向L2的转移轨道。再经过约3个月的飞行，光谱-RG就能飞到日地L2轨道开展定位测试和观测了。光谱-RG天文望远镜将进行为期6年半的天体物理研究，前4年将对整个天空进行扫描成像，剩下的时间，将根据全球科学界的要求对天体进行具体观察。有科学家预计，该望远镜或将在宇宙中发现约300万个黑洞。