“羲和號(hào)”開啟我國探日之旅

◆任長(zhǎng)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?cè)跁r(shí)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(dòng)。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(hào)”作為我國派去觀測(cè)太陽的第一位“使者”，正式開啟了探日之旅。

圖1 “羲和號(hào)”探日示意圖（圖/航天科技集團(tuán)八院）

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(hào)”打量著太陽?！棒撕吞?hào)”是通過征名活動(dòng)，網(wǎng)友們賦予我國首顆太陽探測(cè)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(tái)，裝載Hα成像光譜儀的“羲和號(hào)”可以較好地通過兩種方式觀測(cè)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(jiǎn)單。在光譜掃描成像模式下，“羲和號(hào)”搭載的Hα成像光譜儀通過對(duì)太陽全日面掃描，歷時(shí)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(shí)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(hào)”是國際首發(fā)實(shí)現(xiàn)空間太陽Hα波段的光譜成像探測(cè)的衛(wèi)星，通過對(duì)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(shí)的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過程和物理機(jī)制。

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

圖2 10月14日18時(shí)51分，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，成功將太陽Hα光譜探測(cè)與雙超平臺(tái)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 （新華社發(fā)）

去往新時(shí)代的5毫米

“羲和號(hào)”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(tái)固連在一起，但衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)多個(gè)器件同時(shí)工作，星體難免出現(xiàn)微小振動(dòng)，載荷的工作環(huán)境并不穩(wěn)定。而作為高精度探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行者，“羲和號(hào)”需要一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境。

以“動(dòng)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(dòng)器，將載荷艙通過磁懸浮的方式與平臺(tái)艙連接，形成物理隔離。不接觸，平臺(tái)艙上的振動(dòng)無法傳遞，載荷艙就相當(dāng)平穩(wěn)。然而，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于衛(wèi)星的姿態(tài)控制提出了更高的要求。

圖3 長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭

“羲和號(hào)”上的Hα成像光譜儀在觀測(cè)太陽時(shí)，會(huì)因不同工作方式的需要改變衛(wèi)星的姿態(tài)——有時(shí)要通過9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)太陽進(jìn)行平場(chǎng)定標(biāo)，有時(shí)要控制衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)太陽進(jìn)行連續(xù)擺掃觀測(cè)，有時(shí)要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行暗場(chǎng)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(tái)艙也要第一時(shí)間跟著變化，避免碰撞。這種“載荷艙主動(dòng)控制、平臺(tái)艙從動(dòng)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(cè)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(hào)”的載荷艙、平臺(tái)艙以及兩艙之間相對(duì)位置的姿態(tài)控制形成三環(huán)路控制。載荷艙和平臺(tái)艙之間正負(fù)5毫米的調(diào)整距離，似是衛(wèi)星奔赴新時(shí)代的距離。

太空無線充電

載荷艙和平臺(tái)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(zhǎng)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(duì)隨時(shí)交變的溫度、充滿未知的磁場(chǎng)變化。不像手機(jī)無線充電那么簡(jiǎn)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(tái)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(chǎng)，再從磁場(chǎng)到交流到直流的轉(zhuǎn)換過程。

圖4 太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”（圖/國家航天局 雷春鳴 攝）

航天科技研發(fā)人員經(jīng)過多番論證與比對(duì)，耗時(shí)1年多的時(shí)間圓滿解決了平臺(tái)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?hào)”作為國內(nèi)首次使用大功率和長(zhǎng)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(tái)艙的能量源源不斷地傳輸至載荷艙。

面對(duì)面快傳數(shù)據(jù)

“羲和號(hào)”特殊的雙艙分離結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸也有了更高要求?！棒撕吞?hào)”平穩(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(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)是科研工作及時(shí)有效開展的保證。

當(dāng)處于太陽爆發(fā)的峰值點(diǎn)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的數(shù)據(jù)量會(huì)非常龐大，屆時(shí)，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(chǔ)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(tái)艙不需要對(duì)得很直就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，單機(jī)有10個(gè)各種各樣的接口，可以滿足平臺(tái)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(duì)面快傳。

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

本次雙超平臺(tái)驗(yàn)證的意義重大，后續(xù)還可將“羲和號(hào)”做成系列衛(wèi)星，或大或小。太陽探測(cè)意義重大，未來還需發(fā)射更多的太陽探測(cè)衛(wèi)星，及時(shí)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。