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探测宇宙的鸿蒙丨Calling太空

常驻编辑 网络热点 2022-09-19 鸿蒙   中国科学院   氢原子   射电   宇宙   长波   月球   背面   轨道   太空   频率
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如果是只有一个小天线的探测器,最经济的办法就是在月球轨道上测量。因为它在环绕月球飞行时,在月背弧段可以开展测量,在飞到朝向地球这面时向地球下传数据。如果降落到月球背面,则不但需要着陆器协助,还需要发射一颗中继卫星转发数据。但是如果是一面高分辨率的,像FAST那样的大反射面天线,就需要在月球背面找到一个非常接近抛物面形状或球面形状的撞击坑,并在这个坑内铺上反射网,架设接收机馈源天线。这就需要从地球运输大量物资,多次降落到月球背面,经过长时间的建设,才能开展观测。全世界的天文学家都提出过很多类似的设想。但是苦于建造费用太大,技术上也还不成熟,始终处于设计和论证中。为了研究这个鸿蒙初辟时期,中国科学家提出了鸿蒙计划,跨越了所有这些困难,创新地提出了利用微卫星编队在月球轨道飞行,开展高分辨率干涉成像的设想,既解决了高分辨率成像的问题,也解决了造价高昂的问题。vKl拜客生活常识网

首先解释下什么叫干涉成像。一幅物理世界的影像,是由不同的空间结构组成的。结构复杂的地方其明暗变化快,结构简单的地方其明暗变化慢。空间结构明暗变化的快和慢也可以用空间频率来表达,如果我们对一幅物理世界的图像做二维傅里叶变换,就可以得到这副图像的空间频率分布。干涉成像,就是用由两个单元天线为基础组成的干涉仪,对物理世界图像的空间频率进行采样。如果能足够密集地在空间频率域采样,就可以通过反傅里叶变换,还原出原来物理世界的那幅图像。每次二单元干涉测量的基线长度和方向,就对应着这幅图像在空间频率域上的一个点(和空间频率域的共轭点)。vKl拜客生活常识网

鸿蒙计划就是利用了这个原理,在月球轨道上编队飞行8颗微卫星。每颗微卫星上搭载着一个超长波射电干涉接收机,再由一颗主卫星测量微卫星之间的距离,并汇聚和下传数据。在飞行的过程中,微卫星两两之间不断地做干涉测量,由于干涉的基线长度不同且可以通过编队的控制改变其长度,所以基线可以从短到长全面覆盖空间频率域采样的需求。奇妙的是,伴随着轨道上这些微卫星绕月飞行,基线的方向也在变化着,这样就可以巧妙地对两维的空间频率域进行完整覆盖。更为奇妙的是,利用特殊设计的轨道倾角,轨道面还会缓慢旋转,也就是所谓的轨道进动,所以一条基线就可以覆盖三维空间频率域上的很多点。对其他天文观测来说,月球遮挡、轨道运动和轨道进动都是需要克服的困难,而鸿蒙计划却全面地利用了这些天体的运行规律来提高观测性能。由一颗主星带领的微卫星编队在月球背面开展观测,记录干涉数据。在飞到月球朝向我们地球这一面时向地球站传回数据。在1年多的时间里,编队就可以获得全部天区的观测数据,得到整个宇宙在低频射电波段的高分辨率的图像。vKl拜客生活常识网

可以说,鸿蒙计划的科学目标瞄准的是最为重要的宇宙起源和演化问题,将打开最后一个未知的观测窗口,为天文学研究提供一个新的观测手段,获得宇宙学、天体物理、空间天气等很多领域的重要科学发现。鸿蒙计划的技术方案巧妙而独创,充分利用了月球背面宁静的射电环境和微卫星编队的优势,巧妙地利用轨道动力学手段,用较低的成本解决了长期未决的高分辨率低频射电空间成像观测问题,是高水平的技术创新。vKl拜客生活常识网

鸿蒙计划于2015年由中国科学院提出,并联合荷兰射电天文研究所(ASTRON)共同参加了中欧联合科学探测计划的遴选,进入前4名,之后被遴选为中科院空间科学先导专项背景型号。中国科学院国家天文台研究员陈学雷任首席科学家,中国科学院国家空间科学中心阎敬业研究员任技术总负责人。2018年鸿蒙计划的低频射电载荷搭载哈尔滨工业大学的龙江2号微卫星,在月球轨道完成了测试实验,获得了月背宁静的低频射电频谱数据,也对天线和接收系统的各项指标进行了飞行验证。目前鸿蒙计划已经完成了所有相关技术攻关,具备了进入工程型号研制的条件。vKl拜客生活常识网

龙江二号卫星示意图vKl拜客生活常识网

龙江二号卫星探测的谱数据vKl拜客生活常识网

来源:中国科学院国家空间科学中心vKl拜客生活常识网

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