中国探寻“宇宙灯塔”——解读脉冲星导航试验卫星

X射线脉冲星因稳定有“宇宙灯塔”之称。中国即将在11月发射全球首颗脉冲星导航试验卫星，卫星的设计及制造者、中国航天科技集团第五研究院的专家13日在北京介绍最新进展。

“星死灯不灭”

“企业”号宇宙飞船利用三颗脉冲星宇宙灯塔进行星际导航

脉冲星与“死亡”有关。在恒星耗尽核能以后，根据其质量及成分，遗骸分为三类：白矮星、黑洞和中子星。脉冲星属于中子星，典型半径仅有10千米、每立方厘米的质量高达10亿吨，是除黑洞以外密度最大的天体。

脉冲星“运动不止”，自转周期在1.4毫秒至8.5秒间，相当于每秒旋转上千次。脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平对中新社记者说，半径小、质量大、高速自转，堪比“不倒陀螺”。

脉冲星的两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转时，磁极波束像“灯塔”一样，扫过安装在地面或航天器的探测设备，设备接收到脉冲信号，再根据现代卫星导航的时间测距理论，就可以提供时间、速度、姿态等信息。

帅平说，与以地球质心为时空基准点的卫星导航相比，脉冲星导航以太阳系质心为时空基准点，以脉冲星发射信号为天然信标——这既解决了导航卫星的寿命限制，也将减少航天器对地面站的依赖。

“天涯共此灯”

蟹状星云中的宇宙灯塔

美国在2004年率先提出脉冲星导航计划。几乎同时，中国航天专家也意识到脉冲星导航是航天“跨代”发展的颠覆性技术。2016年3月，已有10年攻关基础的航天科技集团五院获脉冲星导航专用试验卫星立项批复。

帅平说，脉冲星在红外、可见光、紫外、X射线等电磁波频段都产生信号辐射，选择“X射线”，是因其集中了脉冲星射线的绝大部分能量，易于小型化设备探测及处理。

即将在11月发射的全球首颗脉冲星导航试验卫星，总重仅240公斤，却要上天解决三大难题。

首先是“看得见”。该卫星携带两种脉冲星探测器，准直型微通道板探测器以2400平方厘米的有效探测面积见长;掠入射聚焦型探测器有口径17厘米的聚焦镜头，效率更高。

“如果发射升空后遥测信号正常，高能射线打在探测器上有响应，就实现了第一个目标。”帅平说，此前中国科学家从未真正“看见”脉冲星。若两款国产探测器见效，未来将被做成“车载导航仪”嵌入其他卫星。

其次是“测得准”，参照物为900多年以前宋朝天文学家记录的蟹状星云脉冲星的超新星爆发。与祖先隔空“对话”、同观“灯塔”，让研究者觉得意义非凡。

第三是“用得上”。科学家们想知道，在广义相对论里时空相连，大尺度的高精度导航还能否实现?

“照亮未来路”

脉冲星可发出极为规律的定向X射线波束作为宇宙灯塔导航

X射线难以穿过地球稠密大气层，所以X射线脉冲星导航系统无法直接对地面进行导航。但这座“灯塔”照亮了人类未来的路：为近地轨道、深空探测和星际飞行航天器提供自主导航信息服务。

在发射之后，帅平及其团队要做大量工作：研制大面阵数据库型探测器和轻型化导航型探测器;构建若干颗低轨道卫星组成的空间基准星座;构建满足工程应用要求的脉冲星导航数据库;构建天地一体的脉冲星时间基准系统。

伴随这颗试验卫星的研制路，平均年龄不到31岁的研制团队收获颇丰，共申请了51项国家发明专利、11件软件著作权等。薛力军举例说，中国微小卫星设计建造水平也进入新的阶段，比如综合电子组件一台单机功能相当于常规设计的6—8台设备，卫星载荷平台质量比也超过了48%，为科研工作起到示范作用。

“这是值得我们托付终身的事业。”帅平说，引领航天技术创新发展的根本源泉是原始的基础理论创新工作，他们也争取在发射试验卫星后5—10年内开展工程应用。