“羲和”：中國探日先行者

文/任長勝

曦日東升，黑暗消散。陽光穿過罅隙，神圣又溫暖，人們把它叫做希望。

懷揣希望，人們在時光旅途中越走越遠，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。不知從何時起，人們開始想，要是可以“上去”看看就好了。

于是，2021 年10 月14 日，我國首顆太陽探測衛(wèi)星“羲和號”出發(fā)了。作為中國派去觀察太陽的第一位使者，她要替人們去看看太陽里面住著誰。

打卡太陽

517 千米高空的晨昏太陽同步軌道上，510 公斤的“羲和號”打量著太陽?！棒撕吞枴笔墙涍^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，每條光譜都可以被復原成一張日面像。

▲ 長二丁火箭成功發(fā)射我國首顆探日衛(wèi)星“羲和號”

Hα 譜線，在天文學和物理學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)時響應最強的色球譜線，能夠直接反映爆發(fā)的源區(qū)特征。

對于為何選擇對Hα 光譜進行探測研究，航天科技集團羲和號衛(wèi)星總指揮陳建新解釋：“‘羲和號’是國際首發(fā)實現(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，可以從光球層到色球層，獲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)的動力學過程和物理機制?！?/p>

衛(wèi)星執(zhí)行經理兼副總師陳昌亞指出：“如果太陽磁場劇烈變化、日冕層發(fā)生爆發(fā)，會對地球磁場、地球上的衛(wèi)星產生影響，對多種領域產生干擾，包括通信信號?！?/p>

他還解讀了羲和號衛(wèi)星進行太陽探測的意義：“我們國家現(xiàn)有的空間天氣預報都是從國外獲取的，獲得的數(shù)據(jù)較為延遲，而且真實性難以保證，非常被動。‘羲和號’這樣的太陽探測衛(wèi)星接續(xù)被送上天后，我國將可以自主掌控相對精準的空間天氣預報，不受他人掣肘?！?/p>

▲ 羲和號衛(wèi)星模擬高清圖

去往新時代的5 毫米

“羲和號”是太陽雙超衛(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固連在一起，但衛(wèi)星運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的執(zhí)行者，“羲和號”需要一個穩(wěn)定的環(huán)境。

合不行，那分吧。以“動靜隔離非接觸”總體設計新方法為導向，研發(fā)團隊進行關鍵技術攻關后，成功研制出高精度、大帶寬、自身無干擾等特點的磁浮作動器，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，載荷艙就相當平穩(wěn)。

然而，這樣的設計對于衛(wèi)星的姿態(tài)控制提出了更高的要求。

“羲和號”上的Hα 成像光譜儀在進行太陽觀測時，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個觀測點來對太陽進行平場定標，有時要控制衛(wèi)星姿態(tài)對太陽進行連續(xù)的擺掃觀測，有時要對衛(wèi)星進行暗場定標，控制衛(wèi)星姿態(tài)指向空間特定區(qū)域。當載荷艙變換姿態(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，使得衛(wèi)星有效載荷的探測更加穩(wěn)定精準。

▲ 廠房里的羲和號衛(wèi)星

▲ 羲和號衛(wèi)星展開太陽能帆板

陳昌亞說，“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)控制形成了三環(huán)路控制”。

載荷艙和平臺艙之間正負5 毫米的調整距離，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，成為過去。所以，“無線充電”來了。

換一條路走，從“好不好走”距“能不能走”往往相隔不遠。無線能源傳輸，想著簡單，做起來難。

早在20 世紀中后期，美國宇航局就已提出太空磁感應式無線傳輸技術并成功在衛(wèi)星上實現(xiàn)應用。而到目前為止，我國僅在地面實驗室開展了相關實驗工作。能夠在衛(wèi)星上應用大功率、長壽命的無線能源傳輸技術是幾代中國航天人的愿望。

在衛(wèi)星上進行大功率無線能源傳輸，需要克服空間環(huán)境的復雜性，應對隨時交變的溫度、充滿未知磁場變化。不像手機無線充電那么簡單，太空的“無線充電”除功率大外，電流還需經歷多次轉化。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，需經歷一番從直流到交流到磁場，再從磁場到交流到直流的轉換過程。

上海航天技術研究院811 所研制團隊和西安電子科技大學劉彥明團隊通力合作，經過多番論證與比對，用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難題，確保衛(wèi)星在各種狀態(tài)下，實現(xiàn)能源的有效供給。

陳建新介紹：“‘羲和號’是國內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”特殊的雙艙分離結構，對于數(shù)據(jù)傳輸也有了更高要求，于是空間激光通信技術“自告奮勇”。由上海航天技術研究院802 所激光中心團隊研制的艙間高速激光通信單機，在“羲和號”平穩(wěn)入軌后，開機工作。此后它將不間斷地負責艙間數(shù)據(jù)傳輸任務。

不同于其他觀測數(shù)據(jù)，太陽光強足夠強，所以產生的數(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。

陳昌亞介紹：“當處于太陽爆發(fā)的峰值點時，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，部分數(shù)據(jù)將暫存在衛(wèi)星上的存儲器內?！?/p>

激光通信子系統(tǒng)具備高速的激光傳輸接口，可以大幅提升科學載荷數(shù)據(jù)傳輸速率，將星內數(shù)傳帶寬大大提高。

陳昌亞說，“激光通信在艙間傳輸距離短，但是偏轉角度大，載荷艙平臺艙不需要對得很直就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸”。同時，單機有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——先進天基太陽天文臺（ASO-S）。陳建新介紹：“該衛(wèi)星將搭載更多空間望遠鏡，重點觀測太陽高層大氣狀態(tài)，將與‘羲和號’形成觀測層次和觀測波段的有效互補?！?/p>

陳昌亞說：“本次雙超平臺驗證的意義重大，后續(xù)甚至可以將‘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報的精度、準度?！?/p>

未來已來。

“羲和號”又看了一眼太陽，按下了快門。

1、等待發(fā)射

2、試驗隊員合影