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趕在NASA黑洞發現者之前上天 揭秘中國“慧眼”如何煉成?

美国中文网 2017年06月19日 09:16:00    

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硬x射線調制望遠鏡衛星(中科院高能所供圖)



與以往發射的中國衛星不同,硬x射線調制望遠鏡衛星“慧眼”甫一亮相就得到國際廣泛的關注。這不僅因為它是我國第一顆x射線天文望遠鏡衛星,開闢了通過宇宙探索新窗口尋求物理科學突破的新紀元,更是因為它趕在美國nasa“超越愛因斯坦計劃”黑洞發現者之前上天,成為國際上發現黑洞的一大利器。

正如美國“超越愛因斯坦計劃”新一代黑洞發現者候選項目exist首席科學家所說︰“中國硬x射線調制望遠鏡衛星,將是今後這段時期中研究黑洞動力學過程獨一無二的,是x射線天文學發展史上的一座里程碑。”

盡管,在中國“慧眼”之前,國際上已有7顆同類型衛星,但這並不妨礙人們對這位“太空新秀”寄予厚望。那麼這顆衛星究竟有何絕技,又是如何煉成的,中國青年報中青在線記者采訪相關專家進行揭秘。

全天時觀測︰睜開大眼後便不再閉上

從外形和體格來看,“慧眼”衛星並不算大,只有2.5噸,不過能量卻不小。航天科技集團五院硬x射線調制望遠鏡衛星總指揮兼總設計師潘騰說,從工程和技術指標上講,這顆衛星在同類衛星中優勢非常明顯,其功能性能非常強,可對宇宙天體高能事件實現全天時、大範圍觀測。

換句話說,“慧眼”進入太空後就會睜開明亮的大眼,無論白天還是黑夜,24小時分秒必爭,“狠狠地”盯著全宇宙,一刻也不停息地洞察著不為人知的黑洞或者是突然爆發的天文現象。

如果把“慧眼”比擬為一名戰士,那麼以它為圓心,全宇宙都將是它的戰場,在4年多的壽命中,它不停地旋轉,“大範圍觀測著宇宙,360度無死角,宇宙無疆,視野無涯,這就是它超強的本領。”潘騰說。

細究“慧眼”即硬x射線調制望遠鏡衛星的名字,其中“調制”二字讓很多人不解。硬x射線調制衛星系統載荷分系統專家、中科院高能所研究員宋黎明告訴記者,這是中國科學家提出的一種原創性設計理念,用簡單成熟的硬件技術便可實現高分辨和高靈敏度硬x射線成像觀測。

與歐美的編碼孔徑成像技術不同,“慧眼”采用的是直接解調方法反演成像技術。宋黎明說,與復雜、昂貴的編碼孔徑成像系統相比,直接解調方法具有簡單準確的優勢。由于更充分地利用了數據中有關測量對象和測量儀器的信息,同樣的數據經“直接解調”方法可以得到比傳統方法好得多的反演結果,分辨率高,同時噪音干擾被有效抑制,背景異常干淨,可以極大提高探測定位的精度。

他說,這些為“慧眼”探測宇宙空間各種高能事件、取得令人振奮的成果提供了保證。

數據傳輸︰一場“沒有關機重啟”的直播

作為一個全天時工作的天文觀測衛星,“慧眼”的數據傳輸系統被形象地稱為“24小時無間斷”且“沒有關機重啟”的直播。

對一般衛星而言,對受到影響的衛星設備實施“關機重啟”,是“糾正錯誤”的一種被動選擇。不過,航天科技集團五院硬x射線調制望遠鏡衛星數據傳輸分系統技術負責人許興說,針對“需要數據傳輸分系統4年不間斷工作”的“慧眼”來說,關機重啟就意味著數據中斷,太空信使的任務目標就無法實現。

于是,科研人員給“慧眼”配了一名專屬的“太空信使”——數據傳輸分系統,它的主要功能是將硬x射線望遠鏡搜集到的數據,實時傳輸到數據記錄系統或通過無線方式傳輸到地面接收站。

許興說,這是一個忠誠、勤勞、專業的太空信使。我國硬x射線調制望遠鏡衛星將在軌服役4年。這4年里,它將一刻無休地進行觀測,也意味著4年間衛星的數據傳輸分系統在軌不間斷工作,“這在其他衛星上從未有過”。

這要求數據傳輸分系統這個“太空信使”身體倍兒棒。許興說,科研人員要像保健醫生一樣,通過抗輻照加固、三模冗余、定時刷新等手段提高產品“器官”自身抵抗力及自愈能力,確保這些“器官”可以抵御各種風險正常工作。

太空中的強輻射對衛星的敏感器件來說可是“致命殺手”。研制人員在衛星容易受輻射影響的部位加厚防輻射包裹——類似孕期的準媽媽常穿著防輻射服,來保護腹中的寶寶一樣。

當然,這一層威脅還較容易得到化解,但是免于“單粒子翻轉”對衛星芯片等產品的影響要復雜和艱難得多。

所謂單粒子翻轉,是指宇宙中單個高能粒子射入半導體器件靈敏區,使器件邏輯狀態翻轉的現象。許興說,衛星和地面計算機一樣,數據均是采用二進制的“0”“1”來存儲、傳輸和讀取。單粒子不定期來襲時,數據傳輸分系統的某些器件一旦受到高能單粒子的撞擊,就會使存儲的“0”變成“1”,或者“1”變為“0”,導致數據嚴重錯誤,重者會導致傳輸中斷,更別說正確解讀、實時傳輸天文數據了。

按照他的說法,衛星上的一台台產品就好比人體的一個個器官,太空輻射、粒子則像數不勝數的致病細菌,這些細菌時刻企圖侵蝕到“器官”內部,嚴重威脅著“器官”的健康。

許興說,他所在的航天科技集團五院設計師便將重要數據分別存儲3次,也就是給1個數據做了兩個備份。如果數據被高能單粒子這個細菌篡改,系統會根據另外兩個沒有被改變的數據,進行自我修復。

“挑剔”的望遠鏡︰把大象放進冰箱里需要幾步

從值守的位置來看,“慧眼”要在距離地面550千米的高度上運行,屬于低軌運行,也意味著這顆衛星要遭受來自太陽、地球和月亮三方面的影響。

“慧眼”衛星工程總師、航天科技集團五院研究員馬世俊說,“慧眼”承載了中、高、低能望遠鏡,這些靈敏的儀器設備需要在-60℃到-80℃的低溫下才能進行可靠的工作,而且必須確保望遠鏡不見太陽,“直射斜射都不行,以免輻射增溫,增加探測器的噪聲”。

馬世俊說,這麼“冷”而且“挑剔”的工作環境要求,在我國所有衛星研制中還是頭一遭。究竟有多難,科研人員打了一個形象的比方︰把大象放進冰箱里需要幾步?

打開冰箱,塞進去,關上冰箱,這是一開始只有“高能”探測器的方案。但如今多了“中能”和“低能”的,就好比大象的不同部位,喜歡上了不同的溫度,就需要將整只大象同時放進一個三開門的冰箱里。

想要讓“大象心情愉悅”,航天科技集團五院專家告訴記者,科研人員不但運用了多級隔熱措施保護控制漏熱、國內技術數一數二的深冷熱管技術、梯度溫度加熱實現防污染控制等听上去酷炫的“黑科技”,還很溫馨地給衛星戴上了一頂“太陽帽”——遮陽板。

“有了這個遮陽板,陽光永遠只能從遮陽板這一面過來”。可以想象,當衛星運行到太陽和地球之間時,它的視場會受到較大限制。此外,這位專家還告訴記者,科研團隊還采取主動和被動控溫相結合的方法,采取多極隔熱、深冷熱管技術以及優化觀測狀態等手段,多管齊下,盡可能滿足衛星中“乘客”即有效載荷的苛刻需求。

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