编队飞行聚焦式硬X射线太阳望远镜计划预先研究

Grazing incidence focusing optics imaging is the future development trend of solar high energy telescope. The focusing optics hard x-ray solar imager could observe the sun with unprecedented sensitivity, high dynamic range, high spatial and temporal resolution. At present, there is no such special telescope for the sun in the world. Here, we propose ‘Formation Flying Focusing Optics Hard X-ray Solar telescope’ project which expected indirect imaging the sun on the hard X-ray band. It is proposed to use two satellites to carry the grazing incidence focusing optics system and the X-ray detector respectively, and with precise formation flying control the two satellites form a whole focusing optics hard X-ray telescope at the distance of about 100 meters. After the development of advaced space-based solar observatory (ASO-S), we have two options for the next generation of solar observation in space, one is a large, high-cost, comprehensive solar observatory, and the other is a small, distinctive, medium or low-cost solar observatory. No matter how we choose, the pre-study is needed to prepare for satellite project. This work is applied for a per-study of small and distinctive solar observatory.

太阳高能直接成像是未来的发展趋势，掠入射聚焦成像望远镜可以超越之前的调制成像望远镜对太阳进行高灵敏度、高动态范围、高时空分辨率的硬X射线直接成像观测，目前国际上尚没有这类太阳专用望远镜在轨工作。我们提出的“编队飞行聚焦式硬X射线太阳望远镜”计划期望在硬X射线波段对太阳进行直接的成像观测，拟采用两颗卫星分别搭载掠入射聚焦光学系统和X射线探测器，在相距约百米的距离编队飞行组成望远镜系统对太阳硬X射线进行直接的成像观测。先进天基太阳天文台研制成功之后，针对我国的下一代太阳观测卫星有两种选择，一是大型高成本的综合性太阳天文台，另一个是小而有特色真正领先世界的中低成本太阳观测卫星。无论未来我们选择单一型还是组合型的太阳空间任务，都需要进行预先研究，为卫星立项奠定充足的基础，本项目就是针对小而有特色的太阳观测卫星进行概念性预先研究而申请的。

项目的主要研究目标是形成“编队飞行聚焦式硬X射线望远镜”卫星项目的可行性研究和初步方案设计。经过三年时间的研究，项目组成员在充分调研的基础上，详细优化了科学目标和观测需求，确定了“研究日冕活动的精细结构和过程，揭示高能粒子起源和日冕加热机制”的科学目标。先后完成了掠入射硬X射线望远镜的反射膜系的反射率研究和望远镜的初步的光学设计。确定了卫星编队运行轨道为地球拖尾轨道，拖尾角初步设定为20°。分析了双重调制高能辐射成像原理及其部属在双星编队平台上的可行性。经过仿真分析，优化了卫星载荷配置方案，为了实现科学目标配置了三台载荷：1、超高分辨掠入射硬X射线成像；2、超高分辨极紫外和软X成像；3、高分辨伽马射线成像。卫星计划优于载荷配置的更新也更名为“编队飞行太阳高能天文台”。卫星计划采用双星编队飞行平台，A星（主星）携带掠入射X射线聚焦成像以及软X射线和紫外衍射成像的光学系统，而B星（从星）则配置对应的探测器系统，在相距百米左右的距离通过精确编队飞行和姿态控制组成完整的望远镜系统，实现超高空间分辨成像观测。为了保证观测的有效时长，卫星计划初步选择了地球拖尾轨道，拖尾角度约20°。为充分利用编队飞行平台，实现高空间分辨率的多波段成像，卫星搭载三台载荷：掠入射硬X射线成像望远镜将在3-80 keV能段实现对太阳爆发非热物理过程的成像和能谱观测；日冕甚高空间分辨衍射成像仪在19.352 nm和6.67 keV波段对日冕进行高分辨率成像观测；伽马射线成像仪将在50 keV到3 MeV能段进行高分辨率成像和能谱观测。目前本卫星计划完成了预研阶段的研究，形成了相对完整的卫星设计和轨道方案，需要申请后续项目进行关键技术的研究。