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wujun700的博客

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日志

 
 

“慧眼”:身怀中国绝技的“宇宙星探”  

2017-06-20 08:01:04|  分类: 科技前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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          6月15日,我国首颗硬X射线调制望远镜卫星——“慧眼”,闯入国际天文望远镜卫星俱乐部,成为与哈勃、钱德拉望远镜并肩作战的一员。
 
        “慧眼”就像一个“宇宙星探””,肩负着探测黑洞、中子星等宇宙奥秘的重任。同时,它恰好赶在美国NASA“超越爱因斯坦计划”黑洞发现者上天之前步入太空,成为国际上发现黑洞的重要装置以及2020年前世界主打的数据源。因此,甫一亮相的“慧眼”就得到广泛的国际关注。
 
          同类卫星中工作模式最多
 

          众里寻觅,慧眼识星,必须要有过硬的身体素质。“慧眼”练就的是举世闻名的“中国功夫”。航天科技集团公司五院的科技人员为它打造的,是成熟的卫星平台以及全部国产化的单机部件。因此,不论是身板还是器官,均经过多颗卫星的成功应用,在可靠性、长寿命上经受过考验。
 
         成熟不等于复制。作为世界上同类卫星中工作模式最多的星探,“慧眼”无论从平台的设计、姿态的控制到温度的控制,都是数一数二的。根据科学探测需求,科技人员大幅提升了平台的功能,不仅支撑了“慧眼”全天区观测、高低温工作载荷的工作,还实现了低成本的目标。过硬的设计和制造技术,使得“慧眼”在各种极端的条件下都能精准地完成观测、数据下传和星上存贮等任务。
 
         五院总体部硬X射线调制望远镜卫星总指挥兼总设计师潘腾介绍,从工程和技术指标上讲,这颗卫星的功能性能非常强,可以对宇宙天体高能事件实现全天时、大范围观测。在四年多的寿命中,它将不停地旋转,大范围观测着宇宙,360度无死角。
 
         原创反演成像技术优势明显
 
         作为一颗科学探索卫星,“慧眼”饱含了国人的智慧,具有独特的中国气质。与欧美的编码孔径成像技术不同,“慧眼”采用的是直接解调方法反演成像技术。这种方法是中国科学家的原始性理论创新,用简单成熟的硬件技术便可实现高分辨和高灵敏度硬X射线成像观测。
 
         与复杂、昂贵的编码孔径成像系统相比,直接解调方法具有简单准确的优势。由于更充分地利用了数据中有关测量对象和测量仪器的信息,同样的数据经直接解调可以得到比传统方法好得多的反演结果和分辨率高,同时噪音干扰被有效抑制,背景异常干净,极大提高了探测定位的精度,为“慧眼”探测宇宙空间各种事件提供了保证。
 
        同类探测器中探测面积最大
 
         正如武林高手都有成名武器一样,这名“宇宙星探”也有自己独特的“兵器”——随身携带着高、中、低能X射线望远镜和空间环境监测器。有了这四样法宝,硬X射线调制望远镜卫星有如拥有了“火眼金睛”,成为世界上已经应用的同类探测器中探测面积最大的一位,可以对整个X射线谱段进行探测。
 
         除了探测空间X射线,“慧眼”还能够对黑洞进行探测,进而拓展到对伽马暴等进行探测。也就是说,宇宙事件的发生、发展到结束的全过程,它都能够尽收眼底,而且比国际上其他同类卫星在时间分辨率有大幅提升。这对于推动突发天体现象的深入研究具有重大意义。
 
        值得称道的是,“慧眼”将使我国首次具有自主获取空间高能天体原始观测数据的能力。按照国际惯例,它所获得的数据将为我国科学家优先使用。在我国科学家专项应用一年之后,这些数据同时将向全世界开放,以促进世界空间科学研究的发展。

       特写:“慧眼”这么牛,原来幕后英雄这么多
       新华社北京6月17日电(记者全晓书 喻菲 屈婷)当中国首颗X射线天文卫星“慧眼”成功进入预定轨道时,整个研制团队在过去十多年里经历的坎坷像电影片段一样在卫星有效载荷总设计师卢方军的脑海里一一闪过。
 
      “慧眼”全称硬X射线调制望远镜(简称HXMT)卫星,重约2.5吨,其中科学仪器达981公斤。它携带了高、中、低能三种望远镜,首次实现了从1-250keV的能区全覆盖,有利于更加全面地研究黑洞、中子星等神秘天体的辐射机制。
 
        三种望远镜背后,是中国科学院高能物理研究所三个研制团队的坚守和拼搏,他们在有效载荷的自主研制方面遭遇并克服了一道又一道难题。“没有各个技术团队的努力,这颗卫星是不可能成功的!”卢方军说。
 
        对于自主研制,卢方军一直持积极态度:“从单纯完成任务的角度来说,选择自主研制不一定是最高效的,因为‘白手起家’会带来很多意想不到的困难;但是从长远学科发展的角度来说,这样做是非常有价值的。”
 
       而最早提出这颗卫星设想的中科院院士李惕碚认为,通过“慧眼”项目成长起来的研制和科学队伍,以及他们取得的空间探测器国产化的优异成绩,将成为中国在高能天体物理领域赶超世界前沿的可贵基础。
 
         高能团队:彻底放弃依靠进口的幻想
 

        2011年,刘聪展从清华大学调到中科院高能所接管HXMT卫星高能望远镜的研制工作,摆在他面前的是一个艰难的抉择。
 
        高能望远镜的某型探测器之前已经完成了进口合同的签订,却在运往中国之前被其所在国家的商务部给拦下了。
 
         作为高能望远镜主任设计师,刘聪展必须放弃依靠进口的幻想,尽快寻找新的出路。面对困难,刘聪展的内心充满了矛盾:“高能望远镜是核心载荷,万一做不出来,这颗卫星还上不上天?”
 
         经过小半年的挣扎,刘聪展最终确定了国产化的路径,解决了探测器的整体性能问题,使其达到了卫星的设计要求。
 
        这是一个艰辛而复杂的过程。科研人员花费了大量精力改进封装工艺,一共试制了29轮,做了30多个样品,中间反反复复走了很多弯路。
 
        曲折的研制经历和刘聪展前往外协厂家的路途有点相似。外协厂家地处廊坊农村,位置十分偏僻,连导航也常常标错路线,刘聪展记不清自己迷了多少次路。“北方的农村岔路很多,村与村又比较密集,看着都挺像的,这次走对了,下次再去的时候又找不着路了。”
 
 
         让刘聪展迷路的北方农村小路
 
         在去工厂查看第十件样品时,刘聪展的车差点陷在了被大水漫灌的乡间小道上。“我预感不妙,结果那次的样品真的很糟糕。”刘聪展笑了笑,自己也承认这样的联系不靠谱,但不断失败的经历让倍受煎熬的他变得十分敏感。“当时,我们把能想到的招全都用上了,可不是物理指标不行,就是力学性能不好,两者总是矛盾。”
 
       当样品最终通过实验的时候,刘聪展在内心长出了一口气:“还好,自主研制的决策是对的。”合作是双赢的,外协厂家同样也获益匪浅。“我们教会了他们一整套的设计方法,怎么样通过计算有方向性地尝试,怎么样提高荧光的收集效率,他们对此也感到十分满意。”刘聪展说。
 
         中能团队:溅上一点唾沫星子都不行
 
 
ME研制团队工作照(中科院高能所供图)
 
         在读研究生期间,曹学蕾连续参与了嫦娥一号到嫦娥三号上的X射线谱仪的研制工作。当他2006年开始负责HXMT卫星中能望远镜的设计时,对在探月技术的基础上进行自主研制充满了信心。
 
        据他介绍,“慧眼”上共有三组中能望远镜机箱,总探测器面积达到952平方厘米,这么多探测器如果都从国外订购,那价格将是一个天文数字;而中能望远镜团队自主试制的硅-PIN探测器已经在实验室取得了非常好的测试效果,其性能达到国际先进水平。
 
        可是,自主研制的探测器一走出实验室的象牙塔,就要面临一系列严酷的航天筛选试验。
 
         “中能,是三组望远镜里研制难度最大的,让研制团队吃够了苦头。”卢方军这样评价道。
 
         衡量探测器性能优劣的一项重要指标叫暗电流。暗电流会产生噪声,所以越小越好。在实验室里,中能望远镜团队已经将探测器的暗电流降到了PN量级;但是,在封装和试验过程中,暗电流经常一下就升到纳安量级了。“微安量级已经非常小了,纳安量级更小。对于工业部门来说,要做到PN量级难度非常大。”
 
         一方面,对环境洁净度的要求达到了近乎苛刻的地步,任何一点微小的污染,比如哈口气,溅上去一点唾沫星子,都可能造成暗电流飙升,导致探测器毁坏;另一方面,国内仍不掌握探测器的密封技术,污染随时可能发生。
 
 
                                               中能团队全副“武装”才能靠近仪器元件。
 
       据卢方军介绍,国外探测器都用对X射线吸收较弱的铍片密封,但是铍的蒸汽有剧毒,受相关法律法规限制,不能对探测器进行封装密封,在电装和测试过程中很容易造成污染。
 
        在这个过程中,大批量的探测器坏掉了。“我们做了18000片裸芯片,筛选合格的有4500多片,拿到工业部门2200多片,在封装和筛选的过程中,大约只有40%能通过。最后,我们一共生产了880个探测器,安装在卫星上的是400多个。”曹学蕾说。
 
          回忆面对困难时的情景,曹学蕾说自己觉也睡不着,腿像灌了铅一样,“但从来没想过要放弃,而是要用尽所有办法去解决难题”。
 
          低能团队:用一根毛的刷子扫掉故障
 

 
LE探测器机箱组装(中科院高能所供图)
 
         2005年,负责低能望远镜设计的陈勇研究员去英国的卢瑟福实验室学习,看到了包括准直器、SCD探测器和遮光膜在内的很多宝贝。因为在国内从未见过,他看得眼花缭乱,也看得一头雾水。
 
          “简直不敢想象,准直器可以做得那么精巧,遮光膜可以做得那么薄。”陈勇回忆说。准直器是探测器的一个组成部分,可以用来限制X射线的入射方向,以便确定天体源的方位。遮光膜可以过滤可见光和紫外线,只让X射线透过。
 
         巨大的落差没有让陈勇泄气,反而激发了他的斗志。陈勇带领团队通过不断琢磨和反复试验,研制出了只有几百纳米薄的遮光膜以及和卢瑟福实验室同样精巧的准直器。
 
         2012年,低能望远镜团队遇到了一次重大挫折。“把两套样机放到卫星上进行联调测试,一下子冒出来很多问题。那段时间,每天都加班,夜里两三点才回家,可问题老也解决不了。”低能望远镜副主任设计师崔苇苇回忆说。
 
         陈勇指出,这主要是软件方面的问题,两套样机共64路探测器,路数一联多了,程序上多一个空行,挪一下段落,看着没什么问题,但实际上就是不行。解决这些问题需要极大的耐心和严谨,崔苇苇为每个版本的样机都做了详细的记录,笔记本记满了十几本。
 
        好不容易渡过这一次危机,2014年低能望远镜团队又经历了一次“归零”。故障归零制度是中国航天系统多年的惯例,是指只要发现一点儿故障,不管大小,必须推倒一切从零开始。
 
            陈勇说:“做真空试验的时候,有半个机箱的探测器出了问题。我们就一块板一块板来排查,分析来分析去,认为可能是某个探测器的两个电极之间落了点东西造成了短路。我们就把这个探测器取下来,用显微镜放大了200倍,终于看清果然有一个几十微米大小的东西。”
 
        “这个连肉眼都看不见的异物,该怎么清除呢?于是,我们买了一根毛笔,剪得只剩下一根毛,用这支只剩一根毛的毛笔把它扫掉了。”陈勇说。
 
 
只有一根毛的毛笔。
 
         卢方军指出,其实,“慧眼”的幕后英雄很多,还包括有效载荷副总设计师徐玉朋、有效载荷总调度张帆、总质量师张承模、主结构分系统主任设计师张童等人。
 
          “能和这么多优秀的同事一起工作、共渡难关,是我人生中最惬意的事情之一。”卢方军说。(制图:图片由新华社记者贺萌手绘)
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