作者:甘晓 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/10/16 12:08:48
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探寻“宇宙灯塔” 脉冲星导航开启新时代

 

10月13日,记者从中国航天科技集团公司第五研究院(以下简称“航天五院”)获悉,今年11月将择机发射全球首颗脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1)。卫星使命任务为在轨试验验证自主研制的X射线脉冲星探测器,进行X射线脉冲星观测,验证脉冲星导航技术体制,探索新型导航技术。

和已经成熟应用的以地球质心为时空基点的卫星导航不同,脉冲星导航以太阳系质心为时空基准点,能够为航天器进行长时间、高精度的自主导航与精密控制,是一种全新的导航技术。

为深空探测导航的“宇宙灯塔”

天文学家发现,恒星的核能耗尽以后,死亡的恒星遗骸可以分为白矮星、黑洞和中子星等三类。1967年,天文学家偶然发现了周期稳定的射电脉冲源,命名为“脉冲星”。脉冲星是恒星遗骸的一种,属高速自转的中子星,是除黑洞外密度最大的天体。

研究表明,脉冲星会在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段产生信号辐射,其中在X射线频段上辐射信号的脉冲星称为“X射线脉冲星”。

脉冲星自转轴与磁极轴之间有一个夹角,两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能够接收到一个脉冲信号。脉冲星具有良好的周期稳定性,其稳定度达到10的负19次方。

航天五院脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平向《中国科学报》记者介绍,由于脉冲星比氢原子钟还要高1万倍的稳定周期,它是自然界最精准的天文时钟,也被誉为“宇宙灯塔”。

据悉,此次探测的脉冲星为蟹状星云脉冲星(Crab)。同时,还计划探测3颗低流量的脉冲星,并开展相关拓展试验。

尝试开启导航新时代

由于X射线是高能光子,难于穿过地球稠密的大气层,只能在地球大气层外空间观测到。因此,利用脉冲星导航不能直接对地面进行导航,但能对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。

事实上,40年前就有科学家提出了脉冲星导航的概念。但是,基于现代卫星导航的时间测距思想,利用X射线脉冲星的航天器自主导航理论研究也只经历了10年的发展。

“我们尝试依靠它发出的X射线脉冲信号,为近地轨道、深空探测和星际飞行航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等丰富的自主导航信息服务,从而实现航天器长时间高精度自主导航与精密控制,具有广阔的工程应用前景。”帅平表示。

该卫星将搭载“准直型微通道板探测器”和“掠入射聚焦型探测器”两大关键设备。这两种X射线脉冲星探测技术均是我国首次在轨使用。两种探测器在性能上各有所长,均可以独立完成探测任务。其中,微通道板探测器的有效探测面积大,所需的脉冲星观测时间短;掠入射聚焦型探测器的探测效率高,设备规模小。

研究人员还计划通过5到10年的努力,探测26颗脉冲星,建立脉冲星导航数据库。

向“并跑、领跑”迈进

在航天五院脉冲星导航实验卫星总指挥兼总设计师薛力军看来,全球首颗脉冲星导航卫星从科学任务研究到任务确定开始、再到整星出厂,各项工作几乎没有先例可循。因此,参研人员都戏称自己为“第一个吃螃蟹的人”。

2005年,航天五院率先启动脉冲星导航技术的概念研究,距今仅用了11年时间。2012年,航天五院正式组建了“钱学森空间技术实验室”,脉冲星导航技术研究是其中的一个团队。为鼓励创新,院内提供启动研究经费,研究人员不需要为争取经费而申请项目。同时,实验室不设研究部门,而完全围绕共同的研究目标,研究人员自愿组建团队。在人员引进及考核评估方面,则采取国内外同行评估的机制,不取决于机关、领导的意见。

用航天五院研究发展部黄献龙的话说,正是航天五院在科研管理上的新尝试及帅平带领的科研团队敢于挑战高难技术,实现了这项“貌似不靠谱”的创新。“脉冲星导航卫星的研制充分体现了国家创新实践的时代特征——从跟跑到并跑、领跑的转变。”黄献龙表示。

 

 
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