“羲和”：中國(guó)探日先行者

文/任長(zhǎng)勝

曦日東升，黑暗消散。陽(yáng)光穿過(guò)罅隙，神圣又溫暖，人們把它叫做希望。

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(kāi)始好奇，傳播希望的太陽(yáng)，是什么樣的存在？朝暮赤紅，晌午奪目，這都是它的樣子，也都不是它的樣子。不知從何時(shí)起，人們開(kāi)始想，要是可以“上去”看看就好了。

于是，2021 年10 月14 日，我國(guó)首顆太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星“羲和號(hào)”出發(fā)了。作為中國(guó)派去觀察太陽(yáng)的第一位使者，她要替人們?nèi)タ纯刺?yáng)里面住著誰(shuí)。

打卡太陽(yáng)

517 千米高空的晨昏太陽(yáng)同步軌道上，510 公斤的“羲和號(hào)”打量著太陽(yáng)?！棒撕吞?hào)”是經(jīng)過(guò)征名活動(dòng)，網(wǎng)友們賦予我國(guó)首顆太陽(yáng)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(guò)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(guò)兩種方式觀測(cè)太陽(yáng)：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(guò)對(duì)太陽(yáng)全日面掃描，歷時(shí)約46 秒，可以獲得4600 多條光譜，每條光譜都可以被復(fù)原成一張日面像。

▲ 長(zhǎng)二丁火箭成功發(fā)射我國(guó)首顆探日衛(wèi)星“羲和號(hào)”

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

對(duì)于為何選擇對(duì)Hα 光譜進(jìn)行探測(cè)研究，航天科技集團(tuán)羲和號(hào)衛(wèi)星總指揮陳建新解釋：“‘羲和號(hào)’是國(guó)際首發(fā)實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)Hα 波段的光譜成像探測(cè)的衛(wèi)星，通過(guò)對(duì)Hα 光譜數(shù)據(jù)的分析，可以從光球?qū)拥缴驅(qū)?，獲取太陽(yáng)低層大氣的信息，從而推演太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽(yáng)爆發(fā)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物理機(jī)制?！?/p>

衛(wèi)星執(zhí)行經(jīng)理兼副總師陳昌亞指出：“如果太陽(yáng)磁場(chǎng)劇烈變化、日冕層發(fā)生爆發(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)?！?/p>

他還解讀了羲和號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行太陽(yáng)探測(cè)的意義：“我們國(guó)家現(xiàn)有的空間天氣預(yù)報(bào)都是從國(guó)外獲取的，獲得的數(shù)據(jù)較為延遲，而且真實(shí)性難以保證，非常被動(dòng)?！撕吞?hào)’這樣的太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星接續(xù)被送上天后，我國(guó)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?！?/p>

▲ 羲和號(hào)衛(wèi)星模擬高清圖

去往新時(shí)代的5 毫米

“羲和號(hào)”是太陽(yáng)雙超衛(wèi)星，這“雙超”指的是超高指向精度、超高穩(wěn)定度。

傳統(tǒng)衛(wèi)星的有效載荷往往和平臺(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)定的環(huán)境。

合不行，那分吧。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)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)后，成功研制出高精度、大帶寬、自身無(wú)干擾等特點(diǎn)的磁浮作動(dòng)器，將載荷艙通過(guò)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(wú)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。

“羲和號(hào)”上的Hα 成像光譜儀在進(jìn)行太陽(yáng)觀測(cè)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(guò)9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)來(lái)對(duì)太陽(yáng)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(yáng)進(jìn)行連續(xù)的擺掃觀測(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，使得衛(wèi)星有效載荷的探測(cè)更加穩(wěn)定精準(zhǔn)。

▲ 廠房里的羲和號(hào)衛(wèi)星

▲ 羲和號(hào)衛(wèi)星展開(kāi)太陽(yáng)能帆板

陳昌亞說(shuō)，“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)控制形成了三環(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(wú)線充電

載荷艙和平臺(tái)艙分離，傳統(tǒng)的供電方式無(wú)法滿足能源傳輸需求，成為過(guò)去。所以，“無(wú)線充電”來(lái)了。

換一條路走，從“好不好走”距“能不能走”往往相隔不遠(yuǎn)。無(wú)線能源傳輸，想著簡(jiǎn)單，做起來(lái)難。

早在20 世紀(jì)中后期，美國(guó)宇航局就已提出太空磁感應(yīng)式無(wú)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(guó)僅在地面實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作。能夠在衛(wèi)星上應(yīng)用大功率、長(zhǎng)壽命的無(wú)線能源傳輸技術(shù)是幾代中國(guó)航天人的愿望。

在衛(wèi)星上進(jìn)行大功率無(wú)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、充滿未知磁場(chǎng)變化。不像手機(jī)無(wú)線充電那么簡(jiǎn)單，太空的“無(wú)線充電”除功率大外，電流還需經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)化。太陽(yáng)帆板與蓄電池提供的均為直流電，在開(kāi)展載荷艙和平臺(tái)艙的無(wú)線能源傳輸過(guò)程中，需經(jīng)歷一番從直流到交流到磁場(chǎng)，再?gòu)拇艌?chǎng)到交流到直流的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

上海航天技術(shù)研究院811 所研制團(tuán)隊(duì)和西安電子科技大學(xué)劉彥明團(tuán)隊(duì)通力合作，經(jīng)過(guò)多番論證與比對(duì)，用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。

陳建新介紹：“‘羲和號(hào)’是國(guó)內(nèi)首次使用大功率和長(zhǎng)壽命無(wú)線能源傳輸?shù)男l(wèi)星，通過(guò)無(wú)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)于數(shù)據(jù)傳輸也有了更高要求，于是空間激光通信技術(shù)“自告奮勇”。由上海航天技術(shù)研究院802 所激光中心團(tuán)隊(duì)研制的艙間高速激光通信單機(jī)，在“羲和號(hào)”平穩(wěn)入軌后，開(kāi)機(jī)工作。此后它將不間斷地負(fù)責(zé)艙間數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

不同于其他觀測(cè)數(shù)據(jù)，太陽(yáng)光強(qiáng)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(kāi)展的保證。

陳昌亞介紹：“當(dāng)處于太陽(yáng)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)?！?/p>

激光通信子系統(tǒng)具備高速的激光傳輸接口，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。

陳昌亞說(shuō)，“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(lái)我國(guó)還將發(fā)射綜合性太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（ASO-S）。陳建新介紹：“該衛(wèi)星將搭載更多空間望遠(yuǎn)鏡，重點(diǎn)觀測(cè)太陽(yáng)高層大氣狀態(tài)，將與‘羲和號(hào)’形成觀測(cè)層次和觀測(cè)波段的有效互補(bǔ)?！?/p>

陳昌亞說(shuō)：“本次雙超平臺(tái)驗(yàn)證的意義重大，后續(xù)甚至可以將‘羲和號(hào)’做成系列衛(wèi)星，或大或小。太陽(yáng)探測(cè)意義重大，未來(lái)還需發(fā)射更多的太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星，及時(shí)掌握更多太陽(yáng)信息，完善我國(guó)空間天氣預(yù)報(bào)的精度、準(zhǔn)度?！?/p>

未來(lái)已來(lái)。

“羲和號(hào)”又看了一眼太陽(yáng)，按下了快門。

1、等待發(fā)射

2、試驗(yàn)隊(duì)員合影