俄德联合X射线天文观测任务研究

王帅 刘思萌（北京空间科技信息研究所 中国空间技术研究院卫星应用总体部）

北京时间2019年7月13日20：31，俄罗斯和德国联合开展的X射线天文观测任务“光谱-伦琴-伽马”（Spektr-RG）搭乘质子－M（Proton－M）运载火箭发射升空，开始飞向位于日地拉格朗日L2点的目标轨道。Spektr-RG将在3个月时间内完成轨道转移，计划开展为期6.5年的X射线天文观测。Spektr-RG是俄罗斯主导的第二个“光谱”（Spektr）系列空间科学任务，主要目标为研究星系团、黑洞和暗物质，该任务研制之路历经坎坷，从首次提出到发射经历了数十年，被认为是俄罗斯空间科学的“希望之星”。

1 研制背景

Spektr-RG任务的起源最早可以追溯至20世纪80年代末，但由于经济风暴等原因多次推迟甚至于2002年取消，之后于2005年重新确立新版本任务，2个版本任务名称相同，且均是国际合作的空间天文观测任务，观测范围也类似，但平台、载荷、运行轨道等设计存在较大差别，且参与方也不尽相同。

取消的第一版任务由俄罗斯、美国、德国、法国、以色列等10余个国家的20个组织联合开展，计划携带10余个科学仪器，观测范围覆盖极紫外线到γ射线，任务将对X射线源进行全方位探测，并研究γ射线爆的性质。航天器计划采用“光谱”平台，质量约为6000kg，运行在500km×200000km、倾角51.6°的大椭圆轨道上。2002年，项目由于缺乏资金而终止，俄罗斯为补偿国际合作伙伴的损失，为欧洲航天局（ESA）空间天文观测任务——“积分”（INTEGRAL）提供了运载火箭，ESA则为俄罗斯提供了25%的可用观测时间。

当前的第二版任务由俄罗斯航天国家集团（Roscosmos，原俄罗斯联邦航天局）和德国航空航天中心（DLR）联合开展，Roscosmos提供航天器平台和运载火箭，以及载荷“天文伦琴望远镜-X射线聚光器”（ART-XC）；DLR则提供载荷“携带成像望远镜阵列的扩展伦琴调查仪”（eROSITA）。新版任务在经费上具有一定程度的保障，但由于硬件和有效载荷建设方面存在诸多问题等原因，重生的Spektr-RG任务依然没有逃脱接连被推迟的命运，从最初计划2012年发射一直推迟到2019年7月发射，任务设计方面也发生了一些细微的变化，其中最主要的变化是运载火箭由“天顶”（Zenit）/“弗雷盖特”（Fregat）上面级改为质子－M/Block DM－03上面级。

项目的多次延迟不仅造成了成本的增长，还导致航天器的保障任务寿命从7.5年缩短为6.5年。由于任务发射时间推迟，一些预期成果可能由其他天文观测任务抢先获得，对任务的科学价值造成了一定程度的影响，例如宇宙学模型和大型结构领域潜在的发现可以由远红外或亚毫米探测仪器代替获得。

2 任务基本情况

Spektr-RG任务是俄罗斯和德国联合开展的一项X射线天文观测任务，计划开展X射线的全天观测，在高能天文物理学领域提供革命性的数据。航天器主要由平台和2部“沃尔特”（Wolter）望远镜构成，计划工作在日地拉格朗日L2点，预计将开展为期4年的全天巡视观测以及2.5年的定向观测。

任务目标

Spektr-RG任务的总体目标为在0.3～11keV能谱范围内进行首次全天观测，以发现数十万个超大质量黑洞，并进行首次全天成像X射线时变观测，预计将探测到数万个星系团并对特定目标进行定向观测，以研究暗物质和暗能量的性质。

巡天观测的主要科学目标为研究宇宙大尺度结构，测量暗能量状态方程，研究超大质量黑洞成长过程和宇宙演化，寻找最稀有和新奇的宇宙天体。任务探测的X射线源目录可能包括一个宇宙存在以来形成的星系团的综合列表。Spektr-RG还可以探测来自“暗物质”源的热气体发出的辐射，从而能够绘制宇宙中这一神秘物质的分布图。

航天器构成

Spektr-RG航天器发射质量约为2700kg，其中航天器干质量约2350kg，有效载荷质量约1160kg，任务设计寿命为6.5年。航天器由“导航者”（Navigator）平台、eROSITA载荷和ART-XC载荷构成。

Spektr-RG示意图

Spektr-RG预计编目的目标

Navigator平台

（1）Navigator平台

Navigator平台由俄罗斯宇航制造商拉沃契金科研生产联合体（NPO Lavochikin）研制，采用三轴姿态控制，可应用于多类型的航天任务，包括光谱-R（Spektr-R）等科学卫星、电子－L（Elektro-L）气象卫星、“北极”（Arktika）遥感卫星等。平台可工作于地球静止轨道、太阳同步轨道、高椭圆地球轨道以及位于深空的日地拉格朗日点轨道，可以与俄罗斯的“联盟”（Soyuz）、“天顶”和“质子”运载火箭集成。

Navigator平台主要包括无线电综合体、姿态控制系统、供电系统、热控系统、自主电子模块、低增益遥测天线和馈电系统、高数据速率通信无线电链路、上下相位转移无线电链路、太阳能板姿态控制系统、轨道校正发动机。标准Navigator平台的推进系统包括4个推力为5N的轨道校正发动机和8个推力为0.5N的姿态控制推进器。

（2）eROSITA仪器

eROSITA由德国马克思普朗克地外物理研究所研制，质量约为810kg，直径1.3m，长2.6m，敏感范围为0.3～10keV。仪器配有7台望远镜，为Spektr-RG提供了独特的宽视野，用于观测宇宙中的高能射线源。

eROSITA结构图

eROSITA基于“牛顿X射线多镜望远镜”（XMM-Newton）等项目的经验研制而成。7台望远镜都包含一个54个嵌套镜子组成的系统，形成一个圆锥形管状结构。在每个望远镜模块的焦平面上，都有一台专用摄像机，其中包含由高纯硅制成的CCD。为了最大限度地提高eROSITA上相机的灵敏度，在使用热管和散热器的特殊被动冷却装置的帮助下，仪器能够在任务期间保持在－95℃。

eROSITA能够观测宇宙中最大的重力束缚实体——星系团，以及星系团之间的热气体，对这些巨大结构的详尽观测有助于揭开宇宙演化的奥秘，并提升对于暗能量等宇宙现象的理解，测试当前解释暗能量的各种理论模型。仪器还能够对300万个超大质量黑洞进行探测，并对前主序星、超新星遗留物、X射线双星等X射线源进行探测。

（3）ART-XC仪器

ART-XC由俄罗斯科学院空间研究所（IKI）研制，质量约为350kg，敏感范围为6～30keV。仪器与eROSITA配合使用，将扩大观测范围，同时重叠的部分观测范围将有助于2个仪器的校准和提高科学结果的可靠性。ART-XC将首次制作能量范围5～11keV的全天图，并在5～30keV的范围内扫描天空的部分区域。

ART-XC结构图

ART-XC的光学系统包括7组28个嵌套的锥形镜壳，长度为580mm，最大直径为148mm。望远镜携带被称为“双面硅条探测器”的特殊半导体探测器，由碲化镉制成。

据估计，ART-XC将揭示超过1000个星系核和数千个正在成长的超大质量黑洞。ART-XC还将首次提供大量白矮星的同时视图，并允许其质量和其他参数的测量。该仪器还可用于对具有变化亮度的X射线源（称为瞬态X射线源）进行成像，可以揭示新类型的天体。

任务实施历程

Spektr-RG于2019年7月13日搭乘质子－M运载火箭发射升空。航天器将花费3个月的时间飞行至振幅为400000km的目标日地拉格朗日L2点轨道，包括验证和校准阶段，之后正式开始为期6.5年的科学观测任务。其中，前4年将在0.3～11keV的范围内进行巡天观测，每6个月完成一次全天观测，共计完成8次全天观测；后2.5年将进行定向观测，主要观测关注的星系团和活动星系核。

Spektr-RG运行轨道示意图

日地拉格朗日L2点位于日地连接线的延长线上，是Spektr-RG任务运行的理想位置。该地区具有洁净的引力和磁力环境，没有过多的干扰，也没有低地球轨道上稀薄的空气，只有来自微小离子造成的“压力”，轨道维持所需的燃料消耗很少。

3 几点认识

将开展宽带X射线全天巡视成像观测，促进宇宙大尺度结构和暗能量研究

Spektr-RG是近年来发射的又一大型X射线天文望远镜，相比于当前最为先进的X射线天文观测任务“钱德拉”（Chandra）和XMM-Newton，Spektr-RG任务能够实现全天巡视观测，并且在L2点运行将具备低1个数量级的粒子背景，从而允许对于低表面亮度的漫射物体进行详细研究。

不同于以往的空间X射线望远镜携带窄视野仪器，Spektr-RG将携带广角探测仪器对全天进行观测，eROSITA仪器将首次在中能量X射线0.3～10keV进行全天巡视成像，ART-XC仪器则在更高能谱范围内进行观测，两者的组合将实现非常详细的宽带全天巡天观测。Spektr-RG的巡天观测将有助于研究宇宙大尺度结构，为各种高能天体物理现象提供新的见解，提供关于暗能量和宇宙加速扩张的新线索等。

Spektr-RG将绘制全天空的X射线源，包括黑洞、中子星和白矮星等，预计将编目数百万个黑洞等高能天体，增进对于超大质量黑洞形成及演化的认知，进一步揭示X射线双星等天体的性质。

Spektr-RG是俄首次日地拉格朗日点任务，符合科学观测任务向深空迈进的趋势

近年来，日地拉格朗日点已经越发受到空间科学观测任务的关注，美、欧等国已经在日地拉格朗日L1点和L2点上开展了多次科学任务。此次Spektr-RG任务是俄罗斯首次开展的日地拉格朗日点任务，将是俄罗斯主导的首次在深空中开展的科学观测任务。

Spektr-RG任务选择的日地拉格朗日L2点位于日地连线的延长线上，距离地球约1500000km，不受大气扰动、地球阴影等因素影响，具有极其稳定的引力和辐射环境；同时由于太阳、地球和月球始终位于日地拉格朗日L2点的一侧，航天器容易屏蔽辐射且指向控制更为容易，因此日地拉格朗日L2点被认为是天文观测的理想位置。未来的大型天文观测任务基本都选择了日地拉格朗日L2点轨道，包括未来美国的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）、“宽视场红外巡天望远镜”（WFIRST）和ESA的“欧几里得”（Euclid）、“柏拉图”（Plato）、“雅典娜”（Athena）和“大气遥感红外系外行星大调查”（ARIEL）等。

俄在任务研制过程中充分吸取过往失败经验，对于重振航天能力具有积极作用

Spektr-RGRG任务是继俄罗斯首次成功发射深空探测任务——“火星生物学－2016”（ExoMars－2016）之后，又一次成功发射，终结了俄罗斯时期连续2次发射火星探测任务失败的情况。从其任务推迟的情况看，“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任务发射失败之后，Spektr-RGRG任务团队充分吸取了失败经验，对任务设计进行了改动，以保障任务的成功。其中，无线电系统进行了重新设计，能够支持俄罗斯和ESA的地面测控，从而最大化飞行初期航天器的可视窗口；航天器利用火箭上面级直接飞向目标轨道，从而允许任务控制团队有更多的时间评估发射后航天器的实际路径，并计算抵达最终目的地的轨道校正量。

无论是由于改善测控通信，还是测试过程发现问题导致推迟，从正面看都可以理解为俄罗斯正积极吸取过往失败经验，谨慎开展航天任务，以保障任务的成功实施。

任务由于多方面的原因导致反复推迟，其中国际合作中沟通不畅的经验教训值得警惕

Spektr-RG任务的实施过程可谓相当坎坷，第一版任务由于经济原因被迫取消；第二版任务则由于多类型问题不断推迟。撇去俄罗斯自身航天技术问题，任务还遭受了多个国际合作方面的问题；一是缺乏良好的国际环境导致合作和采购的问题；二是与德国的合作过程中沟通协调存在问题；此外，还有德国研制过程中遭遇技术问题。

由于乌克兰冲突事件，俄罗斯与乌克兰合作的“天顶”火箭遭受影响，尽管在冲突之后仍成功开展了2次任务，但所用的火箭均为冲突发生前已经储存在发射场的火箭，这一问题促使俄罗斯在2016年更换发射火箭而导致了任务的推迟。同时，乌克兰冲突事件引发了美国对俄罗斯的制裁，导致俄罗斯在研制X频段无线电通信系统时无法获取美国研制的电子元件，无线电通信系统的交付数次推迟。

与德国的合作过程中，两者存在沟通不畅引发的问题，具体包括：①在eROSITA仪器交付测试后发现星载飞行控制系统与仪器不匹配，需要重新编程，说明事先没有做好沟通工作；②两国研制团队对共同商定的传输协议存在误解，导致无线电系统不能正常发送eROSITA仪器的科学数据，引发无线电系统进一步延迟交付；③测试过程中由于缺少一些文件导致工作停滞不前，主要是文件没有及时翻译，反映了两国沟通不畅的问题。

国际合作任务涉及多国之间的沟通协调，文件翻译和语言障碍可能会导致各类问题的发生。Spektr-RG任务的研制过程中，由于沟通协调不畅，导致了控制软件和无线电系统与仪器的不匹配，以及测试工作的停滞，影响了研制周期和成本。