[科普中国]-“瞳”X光观测卫星

概况

2016年2月17日，日本用H－2A－30火箭在日本种子岛航天中心成功发射了天文－H（Astro－H，别名“瞳”）卫星。它是日本发射的第8颗X射线天文卫星，用于调查宇宙的形成与进化发展过程，研究隐藏在太空中的物理现象等。

然而，3月27日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）证实，3月26日他们无法获取该卫星的信号。4月8日，JAXA召开第二次新闻发布会指出，3月26日03：01，在调整卫星控制方向后不久，卫星控制系统异常，接着卫星呈翻滚状态，太阳电池翼无法供电。据推测，卫星翻滚很可能是由姿控发动机意外喷射所致，太阳电池翼和卫星尾部伸展式光学平台可能已经受损。但JAXA并未放弃，仍期待天文－H卫星像日本“隼鸟”小行星探测器一样，可逐渐降低转速，太阳电池翼能提供部分电能，卫星恢复稳态运行，完成部分飞行任务。

天文－H失联对科研来讲是一个巨大损失，因为这是日本迄今发射的最大、最先进的X射线天文卫星，同时具备软X射线摄像、硬X射线摄像、软X射线分光和软γ射线检测等4种功能，观测灵敏度较日本此前发射的天文－E2卫星提高了100倍。其卫星平台和结构也有独特之处。1

项目背景日本自20世纪70年代中期开始，就以日本宇宙航空研究开发机构下属的宇宙科学研究所（ISAS，原文部省宇宙科学研究所）为核心开始研发和应用以X射线天文卫星为主的天文卫星。1976-2005年，日本共发射了7颗X射线天文卫星，其中5颗发射成功，按预定计划执行了一系列观测任务，取得了不斐的成绩。如：利用天文－D于1993年4月5日成功捕获到了刚发现的M81银河系的超新星SN1993放射出的X射线；利用2005年发射的天文－E2卫星配备的软X射线望远镜（SXT）所进行的一系列观测活动，不仅大幅拓展了观测范围（从原来的软X射线拓展到软γ射线），而且发现了距地球较近（8000万光年）处的黑洞，对人类了解宇宙结构、掌握宇宙全貌、厘清宇宙进化发挥了重要作用。

日本在全面总结“天文”系列卫星开发经验的基础上，深入分析了存在的问题并寻找解决问题的办法，特别是高观测灵敏度有效载荷仪器的研发，并扩大对外合作范围，研发了天文－H卫星。宇宙科学研究所负责这颗卫星的设计，日本电气公司（NEC）为主承包商，联合日本国内20余家大学和研究机构，以及美国、英国、德国、法国、加拿大、荷兰等国外多家大学和研究机构共同研发卫星有效载荷仪器，使天文－H卫星同时具备软X射线分光、软X射线摄像检测、软γ射线检测和硬X射线摄像检测等4种功能，观测灵敏度较2005年发射的天文－E2卫星提高了100倍，有望取得更大的科学成果。1

研制目的与意义研制目的天文－H是1颗具有世界上最高能量分辨率，可对从X射线到γ射线这一庞大的能量范围进行科学观测的天文观测卫星，也是1颗以彻底厘清宇宙动态进化，以及包括非热物质在内的各种物质的能量集中过程为主要目的的卫星。1

研制意义研究、发射天文－H卫星具有重要的科学意义、深远的技术意义和重大的社会意义。

1）科学意义。①厘清大规模的宇宙结构和宇宙进化过程；②深刻理解宇宙的极限状态；③以多种方式寻找宇宙的非热能源；④探求暗物质等对银河系进化的作用。

2）技术意义。通过研制和发射天文－H及其后继星，可确立日本下一代天文观测卫星的基础体系结构：包括模块化技术、一体化控制管理、空间体系网络线、数据处理计算机、冷冻机、大规模和超大规模集成电路等，为完善天文卫星，推进其技术发展，满足今后多任务需求奠定坚实基础。

3）社会意义。①国内方面，它可增强日本成为一流天文观测国家的自豪感；②国际方面，它能推进以日本为主导的国际合作计划；③在推进产业应用方面，日本拟将研究、开发和搭载在天文－H上的检测器用于医疗诊断领域，将航天用高水平的成像技术转移到民用产品研发，将掌握的宇宙物质结构分析技术用于各种物质结构的分析研究等。1

主要性能参数平台系统天文－H卫星质量2.4t，折叠高度8m，展开高度14m，功率3500W，设计寿命大于3年。卫星将运行在轨道高度约为550km、轨道倾角小于31°、轨道周期为96.2min的近圆轨道上。

卫星公用平台分系统由结构、电源、通信、推进、姿态控制、数据处理和热控分系统组成，采用4个斜装反作用飞轮的零动量三轴控制方式，确保姿态稳定和轨道控制精度，以实现精密观测，获取各种准确的观测数据；此外，还引进了模块化设计，着重解决了数据处理系统的标准化问题，可有效防止因不同生产厂家开发的接口不一致所带来的困扰。1

有效载荷系统天文－H上共搭载了硬X射线望远镜（HXT）、硬X射线摄像检测器（HXI）、软X射线分光检测器（SXS）、软X射线望远镜（SXT－S、I）、软X射线摄像检测器（SXI）、软γ射线检测器（SGD）等6种有效载荷仪器，分别构成硬X射线摄像系统、软X射线分光系统、软X射线摄像系统和软γ射线检测系统。

其有效载荷设计要求主要包括：①有效载荷中的软X射线分光系统和软X射线摄像系统采用了一种固定式光学平台，其焦距为6m；②硬X射线摄像系统采用伸展式光学平台（EOB），展开后能确保硬X射线摄像所需的12m焦距；③伸展机构不是配置在望远镜一侧，而是配置在检测器一侧；④为实现制冷系统最佳化，采用液体氦与JT冷冻机并用的鲁棒式制冷系统。1