“羲和號”開啟我國探日之旅

任長勝

曦日東升，黑暗消散。陽光穿過罅隙，神圣又溫暖，人們把它叫作希望。

懷揣希望，人們在時光旅途中越走越遠(yuǎn)，從茹毛飲血到烹龍炮鳳，從刀耕火種變智能自動。人們開始好奇，傳播希望的太陽是怎樣的存在？朝暮赤紅，晌午奪目，這都是它的樣子，也都不是它的樣子。2021年10月14日，“羲和號”作為我國派去觀測太陽的第一位“使者”，正式開啟了探日之旅。

打卡太陽

517公里高空的晨昏太陽同步軌道上，510公斤的“羲和號”打量著太陽?！棒撕吞枴笔峭ㄟ^征名活動，網(wǎng)友們賦予我國首顆太陽探測衛(wèi)星的名字，從此，神話般的星海又多了一抹傳奇色彩。

通過超高指向精度和超高穩(wěn)定度的雙超平臺，裝載Hα成像光譜儀的“羲和號”可以較好地通過兩種方式觀測太陽：白光連續(xù)譜成像和光譜掃描成像。

在白光連續(xù)譜成像模式下可以獲得全日面像，如按下手機(jī)快門拍照一樣簡單。在光譜掃描成像模式下，“羲和號”搭載的Hα成像光譜儀通過對太陽全日面掃描，歷時約46秒，可以獲得4600多條光譜，每條光譜都能被復(fù)原成一張日面像。

Hα譜線在天文學(xué)和物理學(xué)上是氫的一條具體可見的紅色發(fā)射譜線。太陽光譜中的Hα波段譜線是太陽爆發(fā)時響應(yīng)最強(qiáng)的色球譜線，能直接反映爆發(fā)的源區(qū)特征。

“羲和號”是國際首發(fā)實(shí)現(xiàn)空間太陽Hα波段的光譜成像探測的衛(wèi)星，通過對Hα光譜數(shù)據(jù)的分析，可以從光球?qū)拥缴驅(qū)荧@取太陽低層大氣的信息，從而推演太陽爆發(fā)時的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發(fā)的動力學(xué)過程和物理機(jī)制。

如果太陽磁場劇烈變化、日冕層爆發(fā)，會對地球磁場、地球上的衛(wèi)星產(chǎn)生影響，對多種領(lǐng)域產(chǎn)生干擾，包括通信信號。“羲和號”接續(xù)被送上天后，我國將可以自主掌控相對精準(zhǔn)的空間天氣預(yù)報(bào)，不受他人掣肘。

去往新時代的5毫米

“羲和號”是太陽雙超衛(wèi)星，“雙超”指的是超高指向精度、超高穩(wěn)定度。傳統(tǒng)衛(wèi)星的有效載荷往往與平臺固連在一起，但衛(wèi)星運(yùn)行時多個器件同時工作，星體難免出現(xiàn)微小振動，載荷的工作環(huán)境并不穩(wěn)定。而作為高精度探測任務(wù)的執(zhí)行者，“羲和號”需要一個穩(wěn)定的工作環(huán)境。

以“動靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)新方法為導(dǎo)向，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研制出高精度、大帶寬、自身無干擾等特點(diǎn)的磁浮作動器，將載荷艙通過磁懸浮的方式與平臺艙連接，形成物理隔離。不接觸，平臺艙上的振動無法傳遞，載荷艙就相當(dāng)平穩(wěn)。然而，這樣的設(shè)計(jì)對于衛(wèi)星的姿態(tài)控制提出了更高的要求。

“羲和號”上的Hα成像光譜儀在觀測太陽時，會因不同工作方式的需要改變衛(wèi)星的姿態(tài)——有時要通過9個觀測點(diǎn)對太陽進(jìn)行平場定標(biāo)，有時要控制衛(wèi)星姿態(tài)對太陽進(jìn)行連續(xù)擺掃觀測，有時要對衛(wèi)星進(jìn)行暗場定標(biāo)，控制衛(wèi)星姿態(tài)指向空間特定區(qū)域。當(dāng)載荷艙變換姿態(tài)，平臺艙也要第一時間跟著變化，避免碰撞。這種“載荷艙主動控制、平臺艙從動控制”的主從協(xié)同控制解耦新方法，讓衛(wèi)星有效載荷的探測更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)。

不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星的整體姿態(tài)控制，“羲和號”的載荷艙、平臺艙以及兩艙之間相對位置的姿態(tài)控制形成三環(huán)路控制。載荷艙和平臺艙之間正負(fù)5毫米的調(diào)整距離，似是衛(wèi)星奔赴新時代的距離。

太空無線充電

載荷艙和平臺艙分離，傳統(tǒng)的供電方式無法滿足能源傳輸需求。

早在20世紀(jì)中后期，美國宇航局就已提出太空磁感應(yīng)式無線傳輸技術(shù)，并成功在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。而到目前為止，我國僅在地面實(shí)驗(yàn)室開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作，能在衛(wèi)星上應(yīng)用大功率、長壽命的無線能源傳輸技術(shù)是幾代中國航天人的愿望。

在衛(wèi)星上進(jìn)行大功率無線能源傳輸需要克服空間環(huán)境的復(fù)雜性，應(yīng)對隨時交變的溫度、充滿未知的磁場變化。不像手機(jī)無線充電那么簡單，太空的“無線充電”除功率大外，電流還需經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)化。太陽帆板與蓄電池提供的均為直流電，在開展載荷艙和平臺艙的無線能源傳輸過程中，需經(jīng)歷一番從直流到交流到磁場，再從磁場到交流到直流的轉(zhuǎn)換過程。

航天科技研發(fā)人員經(jīng)過多番論證與比對，耗時1年多的時間圓滿解決了平臺艙和載荷艙聯(lián)合供電、分艙供電及太空中能源傳輸技術(shù)難題，確保衛(wèi)星在各種狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)能源的有效供給?！棒撕吞枴弊鳛閲鴥?nèi)首次使用大功率和長壽命無線能源傳輸?shù)男l(wèi)星，通過無線能源傳輸系統(tǒng)，把平臺艙的能量源源不斷地傳輸至載荷艙。

面對面快傳數(shù)據(jù)

“羲和號”特殊的雙艙分離結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)傳輸也有了更高要求?！棒撕吞枴逼椒€(wěn)入軌后，由激光中心團(tuán)隊(duì)研制的艙間高速激光通信單機(jī)開機(jī)工作，將不間斷地負(fù)責(zé)艙間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

不同于其他觀測數(shù)據(jù)，太陽光強(qiáng)度足夠強(qiáng)，所以產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大。所以，如何快速傳輸、存儲數(shù)據(jù)是科研工作及時有效開展的保證。

當(dāng)處于太陽爆發(fā)的峰值點(diǎn)時，長時間觀測的數(shù)據(jù)量會非常龐大，屆時，除向地面衛(wèi)星中心傳輸外，部分?jǐn)?shù)據(jù)將暫存在衛(wèi)星上的存儲器內(nèi)。激光通信子系統(tǒng)具備高速激光傳輸接口，可以大幅提升科學(xué)載荷數(shù)據(jù)傳輸速率，將星內(nèi)數(shù)傳帶寬大大提高。

激光通信在艙間傳輸距離短，但是偏轉(zhuǎn)角度大，載荷艙、平臺艙不需要對得很直就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時，單機(jī)有10個各種各樣的接口，可以滿足平臺各種傳輸速度的特殊要求，將數(shù)據(jù)快速處理，更流暢地實(shí)現(xiàn)面對面快傳。

未來我國還將發(fā)射綜合性太陽探測衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽天文臺。該衛(wèi)星將搭載更多空間望遠(yuǎn)鏡，重點(diǎn)觀測太陽高層大氣狀態(tài)，與“羲和號”形成觀測層次和觀測波段的有效互補(bǔ)。

本次雙超平臺驗(yàn)證的意義重大，后續(xù)還可將“羲和號”做成系列衛(wèi)星，或大或小。太陽探測意義重大，未來還需發(fā)射更多的太陽探測衛(wèi)星，及時掌握更多太陽信息，完善我國空間天氣預(yù)報(bào)的精度、準(zhǔn)度。（據(jù)《中國航天報(bào)》）