航天科技常识“天关”背后的科学故事：“风行天”大变身

不久前，“天关”卫星首批科学成果在北京发布。“天关”卫星核心载荷之一后随X射线望远镜（FXT）负责人、中国高能物理研究所（以下简称高能所）研究员陈勇的眼中闪烁着自豪与期待。 FXT首光时就将“双目”对准了“天关客星”所在的蟹状星云。“在‘开窗模式’下，FXT每秒拍摄的帧数达到450帧，相当于为蟹状星云拍摄了一段视频，它的细致结构和动态变化展现在我们眼前，令人震撼。”陈勇回忆起当时的情景，依然感到振奋。 FXT主要用于对“天关”卫星宽视场X射线望远镜（WXT）发现的暂现源和爆发源进行快速后随观测。从外观上看，“天关”卫星外观如同一朵盛开的莲花，2台FXT如同花蕊被12台龙虾眼望远镜镜头围绕。 FXT正样研制成功后，科研团队根据FXT对应的汉语拼音声母，称其为“风行天”，寓意其像风一样在天上来去迅捷，快速观测暂现天体。 “它不仅可以对WXT发现的暂现源进行精确定位，还可以获得其能谱以及随时间演化的相关信息，这对我们从科学上深入了解暂现源至关重要。此外，它也可以作为一台通用X 射线望远镜，让科学家有机会对宇宙空间各种类型的天体开展 X 射线探测，包括从太阳系天体到银河系中的热气体，再到宇宙深处的超大黑洞和星系团。”“天关”卫星首席科学家、中国科学院国家天文台研究员袁为民十分看好“风行天”的科学贡献。 强强联合 性能提升 陈勇带领的科研团队从2016年底开始承担“风行天”研制任务。在当年的一次任务需求研讨会上，他详细记录了该载荷的各项指标要求。再次翻开笔记本中的这一页时，陈勇感叹：“在轨运行的‘风行天’已经大变样，我们超额完成了任务！” 如今，“风行天”是国际上用于后随观测有效面积最大的X射线望远镜，能够将弱源到亮源尽收眼底，真正实现了对暂现源的“深度后随观测”。 在陈勇看来，“风行天”的成功离不开全球多家机构的强强联合。承担任务之初，科研团队原计划采用仅有一台聚焦镜和一台探测器组成的望远镜设计。 鉴于能够实现科学目标的设备研发难度很高，而国内相关技术研发还处于起步阶段，他们决定将目光投向国际。原“风行天”载荷指挥、高能所研究员卢方军敏锐地意识到已经在轨运行的X射线太空望远镜eROSITA性能好、技术成熟，只需要做一些适应性改进，就可以满足“风行天”的需求。他的这一想法立即得到袁为民的大力支持。 这台望远镜的聚焦镜组件由德国马普地外物理研究所（MPE）设计、意大利梅迪拉瑞（Media ario）公司生产。随即，袁为民和陈勇先后带队赴梅迪拉瑞公司考察，并主动抛出橄榄枝，MPE很快同意提供设计和模具，并由梅迪拉瑞公司生产聚焦镜组件。 卫星正式立项后，受“天关”卫星巨大的科学发现潜力和先进的技术所吸引，欧洲航天局（ESA）和MPE主动向中国科学院提出合作意愿。经过多轮磋商，2019年ESA和MPE作为合作方正式加入“天关”卫星项目，使其成为中国主导的国际合作空间科学项目，开展了实质性的深度技术和科学合作。 其中，ESA以“机遇任务”的方式加入，这让“天关”卫星成为其“空间科学舰队”系列的一部分。这也是ESA首次以这种方式参与中国空间科学任务，此前其绝大部分机遇任务落地美国和日本的空间项目。 ESA提供了一套“风行天”的聚焦镜组件，并作出了其它贡献。同时，为了达到备份的目的、追求更大科学性能并获得科学产出，MPE提供了第二套聚焦镜组件——eROSITA的聚焦镜备份件。此外，MPE还提供了改进的探测器PN-CCD，利用这些PN-CCD，高能所团队研发了焦面X射线相机。就这样，一套双筒连体、双镜头、双探测器的“双胞胎”后随X射线望远镜（FXT）组合得以实现。 不仅如此，强强联手的国际合作还让“天关”卫星获得了快速数据传输的能力。“天关”在卫星项目提出时，卫星总师张永合担任中法合作的伽马暴探测卫星（SVOM）项目系统工程师。他提出通过国际合作，在“天关”卫星中使用正在为SVOM卫星建设的“甚高频网络”（VHF）。经过多年复杂曲折的过程和谈判，终于于2022年促成中国科学院与法国宇航局的在“天关”卫星上的合作。 “国际合作为我们提供了关键技术支持，确保了项目顺利推进，极大地提升了卫星和项目的整体水平、科学价值和国际影响力。”袁为民强调。 从单筒到双筒 事实上，前期的单筒方案中，陈勇始终放心不下的是“风行天”作为一个航天任务的可靠性。“单个聚焦镜和单个探测器的设计，一旦有一处故障，整个项目就会失败。”他深知航天领域中“单点故障”面临的风险。 为此，“天关”卫星立项后，他们提出改进计划，希望通过抽屉式的左右拉动的方式增加一块探测器，以便在其中一块探测器出现故障时可以切换至另一块使用。 卫星总师和首席科学家考虑到，这一方案尽管提供了备份，却引入了新的风险，切换探测器的设计方案需要非常谨慎。“如果两块探测器切换的驱动装置在过程中停住了，可能结果比之前更坏。”张永合说。 为了不留下致命的风险点，工程项目团队提出一个极为大胆想法：让“风行天”再增加一立工作的望远镜。而这一设计上的改变需要对卫星进行一次整体“大变身”，包括颠覆性重新设计“风行天”结构。“卫星从‘合格’到‘卓越’，差别还是蛮大的，我们愿意跟科学家一起去追求卓越。”张永合坦承。这一改变使项目的方案阶段比预期延迟了半年才完成，为此，张永合和整个工程团队承受了巨大的进度压力。 针对如何实现为“风行天”新增加一台望远镜，卫星研制团队提出一个颠覆性的想法：利用卫星平台结构来实现满足载荷焦距长度的需求，对两套聚焦镜和两套探测器分别支撑，从而实现两台后随望远镜同时在轨工作。这相当于让“风行天”的“身子”不仅连体，还成为卫星平台的一部分。 这一巧妙方案也引起了合作方MPE的兴趣。就这样，到2021年底，随着增加的一套探测器和聚焦镜组件备份件漂洋过海来到中国，“风行天”在卫星的“大变身”中完成了由“单筒望远镜”到“双筒望远镜”的飞跃。 同时，为确保卫星的超洁净需求，卫星研制团队在全流程中实施了严格的防污染控制措施。张永合介绍，在中国科学院微小卫星创新研究院的厂房内，团队为卫星搭建了一个千级洁净的专属房间，用于操作和存储，并随卫星运至发射场。从部组件的研制、处理、装配到存储、运输和发射，每个环节都经过特殊处理，确保“一尘不染”，完成了国内首次全流程超洁净条件下的高精度X射线望远镜集成。 新的科学期待 2024年9月，张永合前往法国参加SVOM卫星联合测试，在异国他乡度过了一个难忘的中秋节。他不仅与法国同事们分享了象征团圆的月饼，还向他们介绍了中秋节的文化内涵，同时展示了由中国“风行天”卫星拍摄的月球影像，将中国传统文化与高科技完美融合。 对陈勇而言，这张月球影像也算得上一份“大礼包”。由于X射线望远镜的视场所限，要保持月亮始终位于视野中心并进行连续拍摄的难度极高，对卫星平台要求很高，因此用X射线望远镜拍摄满月一直是一项挑战。 得益于“风行天”的出色表现，中国科学家实现了对满月的X射线观测。2024年中秋之夜，在自古就有赏月传统的中国，亿万民众得以通过电视新闻画面，首次欣赏到X射线望远镜眼中的满月。 不仅如此，科学家从“风行天”的数据中还获取了月球表面各种元素的分布图。陈勇不由得回忆起曾经参加嫦娥一号X射线谱仪研制的日子。当时，那台设备尚不具备成像的功能，只能利用其在月球轨道上运行所获得的数据重建月面元素分布。“而今天‘风行天’在地球轨道上，就能完成曾经只能在月球轨道上进行的观测任务，并且在月表元素分析方面做得更好。”陈勇感到十分欣慰。 “‘风行天’具有极低的背景噪声，可以排除宇宙射线和高能粒子的影响，让我们可以探测到更微弱的弥散X射线辐射，这对星系团和星系外围热气体性质的研究非常重要。”陈勇期待。同时，由于“风行天”响应速度快，可以在太阳耀斑发生后，即时转向观测太阳系内木星及土星等天体，他对研究这些天体的辐射机制也充满了希望。 此外，陈勇认为，“风行天”的成功同样离不开团队中外聘技术人员的努力。他们不但参与承担了质量和调度等重要工作，还承担了大量重复性劳动和“技术含量”看似较低的任务，这些工作看似简单，但对项目的成功完成至关重要。 陈勇指出：“团队以平等相待的原则，尊重每个人的努力和贡献，优势互补，共同解决问题，形成了强大的团队凝聚力。正是这种平等和尊重的文化氛围，使得团队成员能够更好协同工作，提升了整体战斗力。” 版权声明：凡本网注明“来源：中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品，网站转载，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱：shouquan@stimes.cn。