空间硬X射线调制望远镜(HXMT)结构设计与研究

　　空间硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Tele-scope, HXMT)是一台基于直接解调技术设计的准直调制大面积硬X射线探测器会同一个全天监测器构成的空间高能望远镜。它既能及时监测硬X天体瞬变和实现宽视场、高灵敏和高分辨成像,又能对特定天体进行高信噪比观测,取得宽波段能谱和时变数据。从而为发现和认证硬X天体,深入研究天体高能过程和黑洞附近强引力场中的物理过程,证认黑洞、了解类星体能源和γ射线暴机制等重大科学问题提供手段。HXMT作为世界上最高灵敏度高角分辨率的空间硬X射线望远镜,将为发现天体高能辐射新现象,获得重要高能天体谱,推进人类对天体高能辐射过程的认识做出重要的贡献。

　　本文根据HXMT的科学目标和各个子系统的精度和技术要求,设计了一种可行的结构平台方案。对望远镜的核心物理组件———探测器模块,基于有限元分析软件ANSYS5.7,分别计算了探测器模块在不同安装方式下的固有频率及模态,并对结构受加速度载荷作用下的应变和应力进行分析,经过

　　综合分析和比较,获得了较优的安装方式,从而为整个结构的设计提供了有益的指导和结论。

　　1　HXMT结构设计目标

　　HXMT的总体科学目标是基于直接解调成像方法的原理,进行为期2年的巡天扫描和定点观测。达到5000 cm³的有效观测面积和1′的准直精度,并实现对弥漫X/γ射线和主探测器本底的屏蔽。这是整个HXMT研制的前提。在此基础上,经过多方面的综合分析,确定HXMT主要由准直器、探测器复合晶体、光电倍增管、屏蔽、电子学系统、标定系统以及结构平台构成。

　　望远镜结构部分是整个硬X射线科学探测研究的工程载体。结构平台设计包括望远镜各部件的总体布局和支承结构,以及与卫星的接口方式和屏蔽层安装等设计内容。首先应从天体物理观测的要求和航天器设计规范出发,进行各物理部件(准直器、探测器、光电倍增管)在望远镜中的总体布局和支承结构设计。这样就要求结构平台除了满足一般机械结构强度、刚度、加工装配工艺的可行性,还要符合航天结构的要求,结构尽可能轻、简单、可靠,并且机械性能具有可检测性。作为卫星的有效载荷,望远镜必须经历发射过程的考验。这就要求在发射过程的力学环境下,结构仍然可以保持足够的刚度、强度、稳定性、可靠度。太空为真空环境,存在电磁辐射等,望远镜结构需要能满足这种工作环境,尤其是热环境。

　　2　HXMT结构方案

　　围绕望远镜的物理目的和各项技术指标,结合结构的可加工性、可装配性、拆装的方便性、成本、研制周期等方面,对仿蜂窝式结构、拉杆加强式薄壁加筋壳结构、隔板加强式薄壁加筋壳结构、多层板结构、整体铸造结构、拉杆-铸造组合结构、铸造-多层板组合结构等多种方案进行比较综合,最终选定套筒加强式组装结构方案为优选方案。整个结构可以分解为准直器工作模块、探测器工作模块、屏蔽模块以及卫星连接模块4部分(如图1所示)。