日本天文-H衛(wèi)星升空后不久失聯(lián)

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

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日本天文-H衛(wèi)星升空后不久失聯(lián)

王存恩 （北京空間科技信息研究所）

2016年2月17日，日本用H-2A-30火箭在日本種子島航天中心成功發(fā)射了天文-H（Astro-H，別名“瞳”）衛(wèi)星。它是日本發(fā)射的第8顆X射線天文衛(wèi)星，用于調(diào)查宇宙的形成與進(jìn)化發(fā)展過程，研究隱藏在太空中的物理現(xiàn)象等。

然而，3月27日，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）證實(shí)，3月26日他們無(wú)法獲取該衛(wèi)星的信號(hào)。4月8日，JAXA召開第二次新聞發(fā)布會(huì)指出，3月26日03：01，在調(diào)整衛(wèi)星控制方向后不久，衛(wèi)星控制系統(tǒng)異常，接著衛(wèi)星呈翻滾狀態(tài)，太陽(yáng)電池翼無(wú)法供電。據(jù)推測(cè)，衛(wèi)星翻滾很可能是由姿控發(fā)動(dòng)機(jī)意外噴射所致，太陽(yáng)電池翼和衛(wèi)星尾部伸展式光學(xué)平臺(tái)可能已經(jīng)受損。但JAXA并未放棄，仍期待天文-H衛(wèi)星像日本“隼鳥”小行星探測(cè)器一樣，可逐漸降低轉(zhuǎn)速，太陽(yáng)電池翼能提供部分電能，衛(wèi)星恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，完成部分飛行任務(wù)。

天文-H失聯(lián)對(duì)科研來講是一個(gè)巨大損失，因?yàn)檫@是日本迄今發(fā)射的最大、最先進(jìn)的X射線天文衛(wèi)星，同時(shí)具備軟X射線攝像、硬X射線攝像、軟X射線分光和軟γ射線檢測(cè)等4種功能，觀測(cè)靈敏度較日本此前發(fā)射的天文-E2衛(wèi)星提高了100倍。其衛(wèi)星平臺(tái)和結(jié)構(gòu)也有獨(dú)特之處。

1　項(xiàng)目背景

日本自20世紀(jì)70年代中期開始，就以日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)下屬的宇宙科學(xué)研究所（ISAS，原文部省宇宙科學(xué)研究所）為核心開始研發(fā)和應(yīng)用以X射線天文衛(wèi)星為主的天文衛(wèi)星。1976-2005年，日本共發(fā)射了7顆X射線天文衛(wèi)星，其中5顆發(fā)射成功，按預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行了一系列觀測(cè)任務(wù)，取得了不斐的成績(jī)。如：利用天文-D于1993年4月5日成功捕獲到了剛發(fā)現(xiàn)的M81銀河系的超新星SN1993放射出的X射線；利用2005年發(fā)射的天文-E2衛(wèi)星配備的軟X射線望遠(yuǎn)鏡（SXT）所進(jìn)行的一系列觀測(cè)活動(dòng)，不僅大幅拓展了觀測(cè)范圍（從原來的軟X射線拓展到軟γ射線），而且發(fā)現(xiàn)了距地球較近（8000萬(wàn)光年）處的黑洞，對(duì)人類了解宇宙結(jié)構(gòu)、掌握宇宙全貌、厘清宇宙進(jìn)化發(fā)揮了重要作用。

方法3:通過觀察把 ①和②直接相加恰好符合題意:NaNO3和NaNO2的物質(zhì)的量之比恰好與原尾氣中NO和NO2的物質(zhì)的量之比相等。可知,可得:x=1.75。

日本在全面總結(jié)“天文”系列衛(wèi)星開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入分析了存在的問題并尋找解決問題的辦法，特別是高觀測(cè)靈敏度有效載荷儀器的研發(fā)，并擴(kuò)大對(duì)外合作范圍，研發(fā)了天文-H衛(wèi)星。宇宙科學(xué)研究所負(fù)責(zé)這顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，日本電氣公司（NEC）為主承包商，聯(lián)合日本國(guó)內(nèi)20余家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，以及美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、荷蘭等國(guó)外多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共同研發(fā)衛(wèi)星有效載荷儀器，使天文-H衛(wèi)星同時(shí)具備軟X射線分光、軟X射線攝像檢測(cè)、軟γ射線檢測(cè)和硬X射線攝像檢測(cè)等4種功能，觀測(cè)靈敏度較2005年發(fā)射的天文-E2衛(wèi)星提高了100倍，有望取得更大的科學(xué)成果。

截至2005年日本成功發(fā)射的X射線天文衛(wèi)星一覽表

2　研制目的與意義

天文-H衛(wèi)星質(zhì)量2.4t，折疊高度8m，展開高度14m，功率3500W，設(shè)計(jì)壽命大于3年。衛(wèi)星將運(yùn)行在軌道高度約為550km、軌道傾角小于31°、軌道周期為96.2min的近圓軌道上。

天文-H上共搭載了硬X射線望遠(yuǎn)鏡（HXT）、硬X射線攝像檢測(cè)器（HXI）、軟X射線分光檢測(cè)器（SXS）、軟X射線望遠(yuǎn)鏡（SXT-S、I）、軟X射線攝像檢測(cè)器（SXI）、軟γ射線檢測(cè)器（SGD）等6種有效載荷儀器，分別構(gòu)成硬X射線攝像系統(tǒng)、軟X射線分光系統(tǒng)、軟X射線攝像系統(tǒng)和軟γ射線檢測(cè)系統(tǒng)。

研制意義

研究、發(fā)射天文-H衛(wèi)星具有重要的科學(xué)意義、深遠(yuǎn)的技術(shù)意義和重大的社會(huì)意義。

1）科學(xué)意義。①厘清大規(guī)模的宇宙結(jié)構(gòu)和宇宙進(jìn)化過程；②深刻理解宇宙的極限狀態(tài)；③以多種方式尋找宇宙的非熱能源；④探求暗物質(zhì)等對(duì)銀河系進(jìn)化的作用。

衛(wèi)星公用平臺(tái)分系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)、電源、通信、推進(jìn)、姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)處理和熱控分系統(tǒng)組成，采用4個(gè)斜裝反作用飛輪的零動(dòng)量三軸控制方式，確保姿態(tài)穩(wěn)定和軌道控制精度，以實(shí)現(xiàn)精密觀測(cè)，獲取各種準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)；此外，還引進(jìn)了模塊化設(shè)計(jì)，著重解決了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題，可有效防止因不同生產(chǎn)廠家開發(fā)的接口不一致所帶來的困擾。

時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼間，研一上學(xué)期的教育研究方法已經(jīng)在不知不覺中結(jié)課了。在考研期間雖然學(xué)習(xí)過教育研究方法這門課程，但是上課的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)自己學(xué)的只是皮毛，根本不知道教育研究方法是什么，也沒有意識(shí)到教育研究方法的重要性，這學(xué)期的課程才讓我對(duì)教育研究方法有了深入的了解，并且真正重視起來。老師為了讓我們更好的對(duì)教育研究方法有了解，經(jīng)常在課上給我們推薦一些對(duì)我們學(xué)習(xí)有幫助的書目，在這些書目里，影響較大的當(dāng)屬林毅夫教授所寫的《本體與常無(wú)：經(jīng)濟(jì)學(xué)方法論的對(duì)話》，這本書雖然是一本經(jīng)濟(jì)學(xué)著作，但是作者所寫的一些研究經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法也適用于研究教育學(xué)。

3　衛(wèi)星概況

天文-H衛(wèi)星全面繼承了日本科學(xué)衛(wèi)星，特別是天文衛(wèi)星，包括電波天文觀測(cè)衛(wèi)星和紅外天文衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以及積累的資產(chǎn)。其公用平臺(tái)的關(guān)鍵儀器均采用冗余設(shè)計(jì)，有效載荷儀器與公用平臺(tái)系統(tǒng)彼此獨(dú)立；其空間通信鏈路網(wǎng)絡(luò)采用了分散、高可靠性設(shè)計(jì)。

平臺(tái)系統(tǒng)

司大愣子送我?guī)讐K柿餅，討好我，說：“我知道你跟別呦呦睡了，你跟我說說，別呦呦的身子是什么樣子？她跟你在床上，都是怎么玩的？”

研制目的

2）技術(shù)意義。通過研制和發(fā)射天文-H及其后繼星，可確立日本下一代天文觀測(cè)衛(wèi)星的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)：包括模塊化技術(shù)、一體化控制管理、空間體系網(wǎng)絡(luò)線、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、冷凍機(jī)、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等，為完善天文衛(wèi)星，推進(jìn)其技術(shù)發(fā)展，滿足今后多任務(wù)需求奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

天文-H從發(fā)射到伸展式光學(xué)平臺(tái)展開的外形組態(tài)

天文-H衛(wèi)星

自1932年始，蔣介石發(fā)表了大量關(guān)于革命哲學(xué)的演講及著述，如1932年5月發(fā)表的《自述研究革命哲學(xué)經(jīng)過的階段》、1934年6月發(fā)表的《十年來革命經(jīng)過之回顧》、1935年9月發(fā)表的《國(guó)父遺教概要》等。蔣介石關(guān)于革命哲學(xué)的闡述，內(nèi)容大致包含兩個(gè)方面，一是在黨內(nèi)強(qiáng)調(diào)其是繼承總理遺教的正宗，從而爭(zhēng)奪黨內(nèi)正統(tǒng)，樹立個(gè)人權(quán)威;二是打壓異黨，確立國(guó)民黨在意識(shí)形態(tài)領(lǐng)域的主導(dǎo)性和排他性地位，在清理中共在意識(shí)形態(tài)領(lǐng)域影響的同時(shí)，也極力壓制自由主義對(duì)國(guó)民黨的異議。這一時(shí)期，蔣介石對(duì)黨義的闡釋和宣導(dǎo)大致有兩個(gè)方向:一是側(cè)重于內(nèi)部的政訓(xùn)，統(tǒng)一黨內(nèi)意識(shí)形態(tài);二是推動(dòng)國(guó)民黨意識(shí)形態(tài)的國(guó)家化，開展針對(duì)全民的意識(shí)形態(tài)教育。

3）社會(huì)意義。①國(guó)內(nèi)方面，它可增強(qiáng)日本成為一流天文觀測(cè)國(guó)家的自豪感；②國(guó)際方面，它能推進(jìn)以日本為主導(dǎo)的國(guó)際合作計(jì)劃；③在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，日本擬將研究、開發(fā)和搭載在天文-H上的檢測(cè)器用于醫(yī)療診斷領(lǐng)域，將航天用高水平的成像技術(shù)轉(zhuǎn)移到民用產(chǎn)品研發(fā)，將掌握的宇宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)用于各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析研究等。

天文-H是1顆具有世界上最高能量分辨率，可對(duì)從X射線到γ射線這一龐大的能量范圍進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)的天文觀測(cè)衛(wèi)星，也是1顆以徹底厘清宇宙動(dòng)態(tài)進(jìn)化，以及包括非熱物質(zhì)在內(nèi)的各種物質(zhì)的能量集中過程為主要目的的衛(wèi)星。

其有效載荷設(shè)計(jì)要求主要包括：①有效載荷中的軟X射線分光系統(tǒng)和軟X射線攝像系統(tǒng)采用了一種固定式光學(xué)平臺(tái)，其焦距為6m；②硬X射線攝像系統(tǒng)采用伸展式光學(xué)平臺(tái)（EOB），展開后能確保硬X射線攝像所需的12m焦距；③伸展機(jī)構(gòu)不是配置在望遠(yuǎn)鏡一側(cè)，而是配置在檢測(cè)器一側(cè)；④為實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)最佳化，采用液體氦與JT冷凍機(jī)并用的魯棒式制冷系統(tǒng)。

有效載荷系統(tǒng)

（3）另有研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒細(xì)胞中pH基本穩(wěn)定，其原因是_______________________。

1）硬X射線望遠(yuǎn)鏡。它采用日本擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)開發(fā)的首個(gè)硬X射線望遠(yuǎn)鏡。它繼承了天文-E2的輕量化（僅20kg）技術(shù)，質(zhì)量?jī)H為70～80kg，約是美國(guó)1999年7月發(fā)射的錢德拉X射線天文臺(tái)（COX，1500kg）質(zhì)量的1/20；這種硬X射線望遠(yuǎn)鏡與軟X射線望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)基本相同，采用日本擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米技術(shù)，其孔徑為45cm，焦距12m。但其集光面積卻非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常天文衛(wèi)星的10keV量級(jí)，可對(duì)高達(dá)80keV的硬X射線集光和攝像。而這一技術(shù)不僅完成了大量的地面試驗(yàn)，而且還在氣球上完成了若干次搭載飛行試驗(yàn)，結(jié)果證明其性能穩(wěn)定、可靠。

“不是這樣的，當(dāng)時(shí)的情形你又不是沒看見，那女孩多神氣呀？”我解釋著，聲音卻漸漸低了。“等會(huì)練完，我還是要撿瓶子的，你就先回去吧。”秦風(fēng)的聲音很平靜，我卻來氣了，于是忿忿地嚷：“干嘛？趕我走呀？如果需要用錢，跟我說一聲就是。”

各種觀測(cè)儀器在天文-H衛(wèi)星上的具體位置

對(duì)天文-H有效載荷的基本要求和設(shè)計(jì)規(guī)格一覽表

2）硬X射線攝像檢測(cè)器。它繼承了日本天文-E2衛(wèi)星的低背景化技術(shù)，不僅采用了多段式結(jié)構(gòu)，大幅度地提高了探測(cè)器的探測(cè)性能，還配備了擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)、采用寬頻段的硅半導(dǎo)體和碲化鎘化合物（Si/CdTe）作為攝像元件的相機(jī)，其焦距為12m、能夠用強(qiáng)于5keV的“硬X射線”對(duì)天體進(jìn)行觀測(cè)，而且對(duì)硬X射線頻段的檢測(cè)效率非常高，試驗(yàn)結(jié)果證明可達(dá)10keV。

3）軟X射線望遠(yuǎn)鏡。它是以美國(guó)航空航天局（NASA）為主研制的，它采用一種與可見光望遠(yuǎn)鏡的透鏡完全相對(duì)應(yīng)的X射線望遠(yuǎn)鏡，但在機(jī)構(gòu)上又與可見光望遠(yuǎn)鏡所搭載的透鏡有所不同：天文-H搭載的軟X射線望遠(yuǎn)鏡采用的是一種表面鍍有一層薄薄黃金的圓筒形反射鏡，超過1000枚的反射鏡被加工成圓筒狀且并排在同心圓內(nèi)，其排列層數(shù)超過200層，從外形上看，酷似帶有年輪狀的西餐點(diǎn)心。望遠(yuǎn)鏡的孔徑為45cm，焦距為5.6m。采用這種結(jié)構(gòu)的望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即集聚X射線的功能很強(qiáng)，能夠?qū)?2keV的X射線都集聚在一起。

軟X射線望遠(yuǎn)鏡

4）軟X射線攝像檢測(cè)器。它是采用日本國(guó)產(chǎn)最新、最高性能的CCD開發(fā)的新型檢測(cè)器，采用4個(gè)大型X射線CCD并排排列的結(jié)構(gòu)模式，使其成為一種視場(chǎng)非常寬（達(dá)35′）的X射線廣角相機(jī)，配置在天文-H衛(wèi)星的軟X射線望遠(yuǎn)鏡（SXT-I）的焦面內(nèi)，不僅可對(duì)軟X射線區(qū)段的天體視場(chǎng)范圍內(nèi)的物體進(jìn)行X射線攝像，還可同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分光；其能量范圍為0.3～12keV；冷凍機(jī)用的制冷劑可制冷至-120℃，可有效抑制放射線惡化。

5）軟X射線分光檢測(cè)器。它被譽(yù)為天文-H的瞳孔，由日本和美國(guó)共同研制，全面采用天文-E2衛(wèi)星飛行過程中驗(yàn)證了的微熱量計(jì)技術(shù)，其冷卻系統(tǒng)采用了魯棒設(shè)計(jì)，是一種可執(zhí)行超精密分光觀測(cè)的最尖端觀測(cè)儀器，其主要特點(diǎn)是無(wú)論檢測(cè)器的任何一個(gè)組成部分都配備有制冷器，溫度傳感器不僅能夠測(cè)量出絕對(duì)零度（-273.15℃）左右的制冷溫度，還能測(cè)量出X射線照射時(shí)微小的溫度變化（上升值），能夠以迄今所未有的高精度測(cè)量出X射線照射產(chǎn)生的能量。X射線區(qū)段的能量分辨率可達(dá)4～7keV。利用該軟X射線分光攝像檢測(cè)器，不僅能夠以量子力學(xué)量級(jí)觀測(cè)宇宙極限狀態(tài)，還可以觀測(cè)到唯有在X射線區(qū)段才能直接觀測(cè)到的銀河系高溫氣體的亂流，以及銀河系的沖突。

高層建筑物沉降問題的發(fā)生主要可以歸納為兩大因素：一是內(nèi)部因素，包括建筑物自重、承受的荷載以及結(jié)構(gòu)型式等；二是外部因素，包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及周邊環(huán)境的影響等。因此，必須定期對(duì)高層建筑物進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，切實(shí)掌握變形規(guī)律，預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)，從而采取有效的預(yù)防處理措施。

軟X射線攝像檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)

6）軟γ射線檢測(cè)器。它由日本進(jìn)行初樣設(shè)計(jì)，其核心部件是康普頓攝像機(jī)，采用疊層配置半導(dǎo)體檢測(cè)器結(jié)構(gòu)模式的γ射線檢測(cè)器利用了康普頓攝像機(jī)的設(shè)計(jì)原理，使檢測(cè)器的檢測(cè)靈敏度得以大幅度地提高。盡管檢測(cè)器沒有配置望遠(yuǎn)鏡，無(wú)法對(duì)天體進(jìn)行精密攝像，但通過X射線能夠捕獲到高能的軟X射線，進(jìn)而搞清楚所出現(xiàn)的高能現(xiàn)象等。由于軟γ射線檢測(cè)器配備的是多層硅半導(dǎo)體和碲化鎘化合物（Si/CdTe）康普頓相機(jī)，其視場(chǎng)非常窄，它利用康普頓運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論來降低檢測(cè)器的底色；利用康普頓散射來測(cè)定偏光；使其測(cè)能范圍非常大，為10～600keV；能量分辨率則小于2keV@40keV。

祁首冰/本文編輯

Astro-H Satellite Launched