“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，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。

圖1 “羲和號”探日示意圖（圖/航天科技集團八院）

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”打量著太陽。“羲和號”是通過征名活動，網友們賦予我國首顆太陽探測衛星的名字，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：白光連續譜成像和光譜掃描成像。

在白光連續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，每條光譜都能被復原成一張日面像。

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射譜線。太陽光譜中的Hα波段譜線是太陽爆發時響應最強的色球譜線，能直接反映爆發的源區特征。

“羲和號”是國際首發實現空間太陽Hα波段的光譜成像探測的衛星，通過對Hα光譜數據的分析，可以從光球層到色球層獲取太陽低層大氣的信息，從而推演太陽爆發時的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發的動力學過程和物理機制。

如果太陽磁場劇烈變化、日冕層爆發，會對地球磁場、地球上的衛星產生影響，對多種領域產生干擾，包括通信信號。“羲和號”接續被送上天后，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。

圖2 10月14日18時51分，我國在太原衛星發射中心用長征二號丁運載火箭，成功將太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星發射升空。衛星順利進入預定軌道，發射任務獲得圓滿成功。 （新華社發）

去往新時代的5毫米

“羲和號”是太陽雙超衛星，“雙超”指的是超高指向精度、超高穩定度。傳統衛星的有效載荷往往與平臺固連在一起，但衛星運行時多個器件同時工作，星體難免出現微小振動，載荷的工作環境并不穩定。而作為高精度探測任務的執行者，“羲和號”需要一個穩定的工作環境。

以“動靜隔離非接觸”總體設計新方法為導向，研發團隊成功研制出高精度、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。然而，這樣的設計對于衛星的姿態控制提出了更高的要求。

圖3 長征二號丁運載火箭

“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星的姿態——有時要通過9個觀測點對太陽進行平場定標，有時要控制衛星姿態對太陽進行連續擺掃觀測，有時要對衛星進行暗場定標，控制衛星姿態指向空間特定區域。當載荷艙變換姿態，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”的主從協同控制解耦新方法，讓衛星有效載荷的探測更加穩定、精準。

不同于傳統衛星的整體姿態控制，“羲和號”的載荷艙、平臺艙以及兩艙之間相對位置的姿態控制形成三環路控制。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，傳統的供電方式無法滿足能源傳輸需求。

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，并成功在衛星上實現應用。而到目前為止，我國僅在地面實驗室開展了相關實驗工作，能在衛星上應用大功率、長壽命的無線能源傳輸技術是幾代中國航天人的愿望。

在衛星上進行大功率無線能源傳輸需要克服空間環境的復雜性，應對隨時交變的溫度、充滿未知的磁場變化。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。

圖4 太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”（圖/國家航天局 雷春鳴 攝）

航天科技研發人員經過多番論證與比對，耗時1年多的時間圓滿解決了平臺艙和載荷艙聯合供電、分艙供電及太空中能源傳輸技術難題，確保衛星在各種狀態下實現能源的有效供給。“羲和號”作為國內首次使用大功率和長壽命無線能源傳輸的衛星，通過無線能源傳輸系統，把平臺艙的能量源源不斷地傳輸至載荷艙。

面對面快傳數據

“羲和號”特殊的雙艙分離結構對數據傳輸也有了更高要求。“羲和號”平穩入軌后，由激光中心團隊研制的艙間高速激光通信單機開機工作，將不間斷地負責艙間的數據傳輸任務。

不同于其他觀測數據，太陽光強度足夠強，所以產生的數據量非常大。所以，如何快速傳輸、存儲數據是科研工作及時有效開展的保證。

當處于太陽爆發的峰值點時，長時間觀測的數據量會非常龐大，屆時，除向地面衛星中心傳輸外，部分數據將暫存在衛星上的存儲器內。激光通信子系統具備高速激光傳輸接口，可以大幅提升科學載荷數據傳輸速率，將星內數傳帶寬大大提高。

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數據傳輸。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，將數據快速處理，更流暢地實現面對面快傳。

未來我國還將發射綜合性太陽探測衛星——先進天基太陽天文臺。該衛星將搭載更多空間望遠鏡，重點觀測太陽高層大氣狀態，與“羲和號”形成觀測層次和觀測波段的有效互補。

本次雙超平臺驗證的意義重大，后續還可將“羲和號”做成系列衛星，或大或小。太陽探測意義重大，未來還需發射更多的太陽探測衛星，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。