7月13日，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。Spektr-RG是俄羅斯主導的第二個「光譜」系列空間科學任務，主要目標為研究星系團、黑洞和暗物質，該任務研製之路歷經坎坷，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」。
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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。太空飛行器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。
（1）任務目標
Spektr-RG任務的總體目標為在0.3～11keV能譜範圍內進行首次全天觀測，以發現數十萬個超大質量黑洞，並進行首次全天成像X射線時變觀測，預計將探測到數萬個星系團並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，從而能夠繪製宇宙中這一神秘物質的分布圖。
（2）太空飛行器構成
Spektr-RG太空飛行器發射質量約為2700kg，其中太空飛行器干質量約2350kg，有效載荷質量約1160kg，任務設計壽命為6.5年。太空飛行器由「導航者」（Navigator）平台、eROSITA載荷和ART-XC載荷構成。
Spektr-RG示意圖
• Navigator平台
Navigator平台由俄羅斯宇航製造商拉沃契金科研生產聯合體研製，採用三軸姿態控制，可應用於多類型的航天任務，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。平台可工作於地球靜止軌道、太陽同步軌道、高橢圓地球軌道以及位於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平台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平台的推進系統包括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。
• eROSITA儀器
eROSITA由德國馬克思普朗克地外物理研究所研製，質量約為810kg，直徑1.3m，長2.6m，敏感範圍為0.3～10keV。儀器配有7個望遠鏡，為Spektr-RG提供了獨特的寬視野，用於觀測宇宙中的高能射線源。
eROSITA基於「牛頓X射線多鏡望遠鏡」（XMM-Newton）等項目的經驗研製而成。7個望遠鏡都包含一個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，都有一個專用攝像機，其中包含由高純矽製成的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於揭開宇宙演化的奧秘，並提升對於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，並對前主序星、超新星遺留物、X射線雙星等X射線源進行探測。
• ART-XC儀器
ART-XC由俄羅斯科學院空間研究所研製，質量約為350kg，敏感範圍為6～30keV。儀器與eROSITA配合使用，將擴大觀測範圍，同時重疊的部分觀測範圍將有助於2個儀器的校準和提高科學結果的可靠性。ART-XC將首次製作能量範圍5～11keV的全天圖，並在5～30keV的範圍內掃描天空的部分區域。
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「雙面矽條探測器」的特殊半導體探測器，由碲化鎘製成。
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，並允許其質量和其他參數的測量。該儀器還可用於對具有變化亮度的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。
（3）任務實施歷程
Spektr-RG於2019年7月13日搭乘質子－M運載火箭發射升空。太空飛行器將花費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，之後正式開始為期6.5年的科學觀測任務。其中，前4年將在0.3～11keV的範圍內進行巡天觀測，每半年完成一次全天觀測，共計完成8次全天觀測；後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
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幾點認識
（1）將開展寬頻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，相比於當前最為先進的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，並且在L2點運行將具備低一個數量級的粒子背景，從而允許對於低表面亮度的漫射物體進行詳細研究。
不同於以往的空間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儀器則在更高能譜範圍內進行觀測，兩者的組合將實現非常詳細的寬頻全天巡天觀測。Spektr-RG的巡天觀測將有助於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，提供關於暗能量和宇宙加速擴張的新線索等。
Spektr-RG將繪製全天空的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，增進對於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。
（2）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任務選擇的日地拉格朗日L2點位於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；同時由於太陽、地球和月球始終位於日地拉格朗日L2點的一側，太空飛行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。
（3）俄在任務研製過程中充分吸取過往失敗經驗，對於重振航天能力具有積極作用
Spektr-RG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）之後，又一次成功發射，徹底改變了俄羅斯時期連續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）任務發射失敗之後，Spektr-RG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太空飛行器的可視窗口；太空飛行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後太空飛行器的實際路徑，並計算抵達最終目的地的軌道校正量。
（4）任務由於多方面原因反覆推遲，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，第一版任務由於經濟原因被迫取消；第二版任務則由於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採購的問題，二是與德國的合作過程中溝通協調存在問題，此外還有德國研製過程中遭遇技術問題。Spektr-RG任務的研製過程中，由於溝通協調不暢，導致了控制軟體和無線電系統與儀器的不匹配，以及測試工作的停滯，影響了研製周期和成本。我國在國際合作過程中，應構建完善的管理協調機制，一方面保障雙方工作協調有序開展，一方面作為任務主導方對參與方更好監管，保障產品質量和任務進度。
來源：《國際太空》2019年第8期
作者：王帥、劉思萌
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文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-sg/NUtJc2wBvvf6VcSZwcZn.html