俄德聯合X射線天文觀測任務研究

王帥 劉思萌（北京空間科技信息研究所 中國空間技術研究院衛星應用總體部）

北京時間2019年7月13日20：31，俄羅斯和德國聯合開展的X射線天文觀測任務“光譜-倫琴-伽馬”（Spektr-RG）搭乘質子－M（Proton－M）運載火箭發射升空，開始飛向位于日地拉格朗日L2點的目標軌道。Spektr-RG將在3個月時間內完成軌道轉移，計劃開展為期6.5年的X射線天文觀測。Spektr-RG是俄羅斯主導的第二個“光譜”（Spektr）系列空間科學任務，主要目標為研究星系團、黑洞和暗物質，該任務研制之路歷經坎坷，從首次提出到發射經歷了數十年，被認為是俄羅斯空間科學的“希望之星”。

1 研制背景

Spektr-RG任務的起源最早可以追溯至20世紀80年代末，但由于經濟風暴等原因多次推遲甚至于2002年取消，之后于2005年重新確立新版本任務，2個版本任務名稱相同，且均是國際合作的空間天文觀測任務，觀測范圍也類似，但平臺、載荷、運行軌道等設計存在較大差別，且參與方也不盡相同。

取消的第一版任務由俄羅斯、美國、德國、法國、以色列等10余個國家的20個組織聯合開展，計劃攜帶10余個科學儀器，觀測范圍覆蓋極紫外線到γ射線，任務將對X射線源進行全方位探測，并研究γ射線爆的性質。航天器計劃采用“光譜”平臺，質量約為6000kg，運行在500km×200000km、傾角51.6°的大橢圓軌道上。2002年，項目由于缺乏資金而終止，俄羅斯為補償國際合作伙伴的損失，為歐洲航天局（ESA）空間天文觀測任務——“積分”（INTEGRAL）提供了運載火箭，ESA則為俄羅斯提供了25%的可用觀測時間。

當前的第二版任務由俄羅斯航天國家集團（Roscosmos，原俄羅斯聯邦航天局）和德國航空航天中心（DLR）聯合開展，Roscosmos提供航天器平臺和運載火箭，以及載荷“天文倫琴望遠鏡-X射線聚光器”（ART-XC）；DLR則提供載荷“攜帶成像望遠鏡陣列的擴展倫琴調查儀”（eROSITA）。新版任務在經費上具有一定程度的保障，但由于硬件和有效載荷建設方面存在諸多問題等原因，重生的Spektr-RG任務依然沒有逃脫接連被推遲的命運，從最初計劃2012年發射一直推遲到2019年7月發射，任務設計方面也發生了一些細微的變化，其中最主要的變化是運載火箭由“天頂”（Zenit）/“弗雷蓋特”（Fregat）上面級改為質子－M/Block DM－03上面級。

項目的多次延遲不僅造成了成本的增長，還導致航天器的保障任務壽命從7.5年縮短為6.5年。由于任務發射時間推遲，一些預期成果可能由其他天文觀測任務搶先獲得，對任務的科學價值造成了一定程度的影響，例如宇宙學模型和大型結構領域潛在的發現可以由遠紅外或亞毫米探測儀器代替獲得。

2 任務基本情況

Spektr-RG任務是俄羅斯和德國聯合開展的一項X射線天文觀測任務，計劃開展X射線的全天觀測，在高能天文物理學領域提供革命性的數據。航天器主要由平臺和2部“沃爾特”（Wolter）望遠鏡構成，計劃工作在日地拉格朗日L2點，預計將開展為期4年的全天巡視觀測以及2.5年的定向觀測。

任務目標

Spektr-RG任務的總體目標為在0.3～11keV能譜范圍內進行首次全天觀測，以發現數十萬個超大質量黑洞，并進行首次全天成像X射線時變觀測，預計將探測到數萬個星系團并對特定目標進行定向觀測，以研究暗物質和暗能量的性質。

巡天觀測的主要科學目標為研究宇宙大尺度結構，測量暗能量狀態方程，研究超大質量黑洞成長過程和宇宙演化，尋找最稀有和新奇的宇宙天體。任務探測的X射線源目錄可能包括一個宇宙存在以來形成的星系團的綜合列表。Spektr-RG還可以探測來自“暗物質”源的熱氣體發出的輻射，從而能夠繪制宇宙中這一神秘物質的分布圖。

航天器構成

Spektr-RG航天器發射質量約為2700kg，其中航天器干質量約2350kg，有效載荷質量約1160kg，任務設計壽命為6.5年。航天器由“導航者”（Navigator）平臺、eROSITA載荷和ART-XC載荷構成。

Spektr-RG示意圖

Spektr-RG預計編目的目標

Navigator平臺

（1）Navigator平臺

Navigator平臺由俄羅斯宇航制造商拉沃契金科研生產聯合體（NPO Lavochikin）研制，采用三軸姿態控制，可應用于多類型的航天任務，包括光譜-R（Spektr-R）等科學衛星、電子－L（Elektro-L）氣象衛星、“北極”（Arktika）遙感衛星等。平臺可工作于地球靜止軌道、太陽同步軌道、高橢圓地球軌道以及位于深空的日地拉格朗日點軌道，可以與俄羅斯的“聯盟”（Soyuz）、“天頂”和“質子”運載火箭集成。

Navigator平臺主要包括無線電綜合體、姿態控制系統、供電系統、熱控系統、自主電子模塊、低增益遙測天線和饋電系統、高數據速率通信無線電鏈路、上下相位轉移無線電鏈路、太陽能板姿態控制系統、軌道校正發動機。標準Navigator平臺的推進系統包括4個推力為5N的軌道校正發動機和8個推力為0.5N的姿態控制推進器。

（2）eROSITA儀器

eROSITA由德國馬克思普朗克地外物理研究所研制，質量約為810kg，直徑1.3m，長2.6m，敏感范圍為0.3～10keV。儀器配有7臺望遠鏡，為Spektr-RG提供了獨特的寬視野，用于觀測宇宙中的高能射線源。

eROSITA結構圖

eROSITA基于“牛頓X射線多鏡望遠鏡”（XMM-Newton）等項目的經驗研制而成。7臺望遠鏡都包含一個54個嵌套鏡子組成的系統，形成一個圓錐形管狀結構。在每個望遠鏡模塊的焦平面上，都有一臺專用攝像機，其中包含由高純硅制成的CCD。為了最大限度地提高eROSITA上相機的靈敏度，在使用熱管和散熱器的特殊被動冷卻裝置的幫助下，儀器能夠在任務期間保持在－95℃。

eROSITA能夠觀測宇宙中最大的重力束縛實體——星系團，以及星系團之間的熱氣體，對這些巨大結構的詳盡觀測有助于揭開宇宙演化的奧秘，并提升對于暗能量等宇宙現象的理解，測試當前解釋暗能量的各種理論模型。儀器還能夠對300萬個超大質量黑洞進行探測，并對前主序星、超新星遺留物、X射線雙星等X射線源進行探測。

（3）ART-XC儀器

ART-XC由俄羅斯科學院空間研究所（IKI）研制，質量約為350kg，敏感范圍為6～30keV。儀器與eROSITA配合使用，將擴大觀測范圍，同時重疊的部分觀測范圍將有助于2個儀器的校準和提高科學結果的可靠性。ART-XC將首次制作能量范圍5～11keV的全天圖，并在5～30keV的范圍內掃描天空的部分區域。

ART-XC結構圖

ART-XC的光學系統包括7組28個嵌套的錐形鏡殼，長度為580mm，最大直徑為148mm。望遠鏡攜帶被稱為“雙面硅條探測器”的特殊半導體探測器，由碲化鎘制成。

據估計，ART-XC將揭示超過1000個星系核和數千個正在成長的超大質量黑洞。ART-XC還將首次提供大量白矮星的同時視圖，并允許其質量和其他參數的測量。該儀器還可用于對具有變化亮度的X射線源（稱為瞬態X射線源）進行成像，可以揭示新類型的天體。

任務實施歷程

Spektr-RG于2019年7月13日搭乘質子－M運載火箭發射升空。航天器將花費3個月的時間飛行至振幅為400000km的目標日地拉格朗日L2點軌道，包括驗證和校準階段，之后正式開始為期6.5年的科學觀測任務。其中，前4年將在0.3～11keV的范圍內進行巡天觀測，每6個月完成一次全天觀測，共計完成8次全天觀測；后2.5年將進行定向觀測，主要觀測關注的星系團和活動星系核。

Spektr-RG運行軌道示意圖

日地拉格朗日L2點位于日地連接線的延長線上，是Spektr-RG任務運行的理想位置。該地區具有潔凈的引力和磁力環境，沒有過多的干擾，也沒有低地球軌道上稀薄的空氣，只有來自微小離子造成的“壓力”，軌道維持所需的燃料消耗很少。

3 幾點認識

將開展寬帶X射線全天巡視成像觀測，促進宇宙大尺度結構和暗能量研究

Spektr-RG是近年來發射的又一大型X射線天文望遠鏡，相比于當前最為先進的X射線天文觀測任務“錢德拉”（Chandra）和XMM-Newton，Spektr-RG任務能夠實現全天巡視觀測，并且在L2點運行將具備低1個數量級的粒子背景，從而允許對于低表面亮度的漫射物體進行詳細研究。

不同于以往的空間X射線望遠鏡攜帶窄視野儀器，Spektr-RG將攜帶廣角探測儀器對全天進行觀測，eROSITA儀器將首次在中能量X射線0.3～10keV進行全天巡視成像，ART-XC儀器則在更高能譜范圍內進行觀測，兩者的組合將實現非常詳細的寬帶全天巡天觀測。Spektr-RG的巡天觀測將有助于研究宇宙大尺度結構，為各種高能天體物理現象提供新的見解，提供關于暗能量和宇宙加速擴張的新線索等。

Spektr-RG將繪制全天空的X射線源，包括黑洞、中子星和白矮星等，預計將編目數百萬個黑洞等高能天體，增進對于超大質量黑洞形成及演化的認知，進一步揭示X射線雙星等天體的性質。

Spektr-RG是俄首次日地拉格朗日點任務，符合科學觀測任務向深空邁進的趨勢

近年來，日地拉格朗日點已經越發受到空間科學觀測任務的關注，美、歐等國已經在日地拉格朗日L1點和L2點上開展了多次科學任務。此次Spektr-RG任務是俄羅斯首次開展的日地拉格朗日點任務，將是俄羅斯主導的首次在深空中開展的科學觀測任務。

Spektr-RG任務選擇的日地拉格朗日L2點位于日地連線的延長線上，距離地球約1500000km，不受大氣擾動、地球陰影等因素影響，具有極其穩定的引力和輻射環境；同時由于太陽、地球和月球始終位于日地拉格朗日L2點的一側，航天器容易屏蔽輻射且指向控制更為容易，因此日地拉格朗日L2點被認為是天文觀測的理想位置。未來的大型天文觀測任務基本都選擇了日地拉格朗日L2點軌道，包括未來美國的“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）、“寬視場紅外巡天望遠鏡”（WFIRST）和ESA的“歐幾里得”（Euclid）、“柏拉圖”（Plato）、“雅典娜”（Athena）和“大氣遙感紅外系外行星大調查”（ARIEL）等。

俄在任務研制過程中充分吸取過往失敗經驗，對于重振航天能力具有積極作用

Spektr-RGRG任務是繼俄羅斯首次成功發射深空探測任務——“火星生物學－2016”（ExoMars－2016）之后，又一次成功發射，終結了俄羅斯時期連續2次發射火星探測任務失敗的情況。從其任務推遲的情況看，“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任務發射失敗之后，Spektr-RGRG任務團隊充分吸取了失敗經驗，對任務設計進行了改動，以保障任務的成功。其中，無線電系統進行了重新設計，能夠支持俄羅斯和ESA的地面測控，從而最大化飛行初期航天器的可視窗口；航天器利用火箭上面級直接飛向目標軌道，從而允許任務控制團隊有更多的時間評估發射后航天器的實際路徑，并計算抵達最終目的地的軌道校正量。

無論是由于改善測控通信，還是測試過程發現問題導致推遲，從正面看都可以理解為俄羅斯正積極吸取過往失敗經驗，謹慎開展航天任務，以保障任務的成功實施。

任務由于多方面的原因導致反復推遲，其中國際合作中溝通不暢的經驗教訓值得警惕

Spektr-RG任務的實施過程可謂相當坎坷，第一版任務由于經濟原因被迫取消；第二版任務則由于多類型問題不斷推遲。撇去俄羅斯自身航天技術問題，任務還遭受了多個國際合作方面的問題；一是缺乏良好的國際環境導致合作和采購的問題；二是與德國的合作過程中溝通協調存在問題；此外，還有德國研制過程中遭遇技術問題。

由于烏克蘭沖突事件，俄羅斯與烏克蘭合作的“天頂”火箭遭受影響，盡管在沖突之后仍成功開展了2次任務，但所用的火箭均為沖突發生前已經儲存在發射場的火箭，這一問題促使俄羅斯在2016年更換發射火箭而導致了任務的推遲。同時，烏克蘭沖突事件引發了美國對俄羅斯的制裁，導致俄羅斯在研制X頻段無線電通信系統時無法獲取美國研制的電子元件，無線電通信系統的交付數次推遲。

與德國的合作過程中，兩者存在溝通不暢引發的問題，具體包括：①在eROSITA儀器交付測試后發現星載飛行控制系統與儀器不匹配，需要重新編程，說明事先沒有做好溝通工作；②兩國研制團隊對共同商定的傳輸協議存在誤解，導致無線電系統不能正常發送eROSITA儀器的科學數據，引發無線電系統進一步延遲交付；③測試過程中由于缺少一些文件導致工作停滯不前，主要是文件沒有及時翻譯，反映了兩國溝通不暢的問題。

國際合作任務涉及多國之間的溝通協調，文件翻譯和語言障礙可能會導致各類問題的發生。Spektr-RG任務的研制過程中，由于溝通協調不暢，導致了控制軟件和無線電系統與儀器的不匹配，以及測試工作的停滯，影響了研制周期和成本。