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        “羲和”:中國探日先行者

        2021-12-27 07:05:06任長勝
        太空探索 2021年12期

        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(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?nèi)タ纯刺柪锩孀≈l。

        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。“羲和號”是經(jīng)過征名活動,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(fù)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(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?qū)拥缴驅(qū)?,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(xué)過程和物理機制?!?/p>

        衛(wèi)星執(zhí)行經(jīng)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(chǎn)生影響,對多種領(lǐng)域產(chǎn)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(yù)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(zhǔn)的空間天氣預(yù)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(wù)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(shè)計新方法為導(dǎo)向,研發(fā)團隊進行關(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(dāng)平穩(wěn)。

        然而,這樣的設(shè)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(biāo),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(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,使得衛(wèi)星有效載荷的探測更加穩(wěn)定精準(zhǔn)。

        ▲ 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(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,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(yuǎn)。無線能源傳輸,想著簡單,做起來難。

        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)星上實現(xiàn)應(yīng)用。而到目前為止,我國僅在地面實驗室開展了相關(guān)實驗工作。能夠在衛(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(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。

        上海航天技術(shù)研究院811 所研制團隊和西安電子科技大學(xué)劉彥明團隊通力合作,經(jīng)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(shù)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(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?!?/p>

        面對面快傳數(shù)據(jù)

        “羲和號”特殊的雙艙分離結(jié)構(gòu),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(shù)“自告奮勇”。由上海航天技術(shù)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(fù)責(zé)艙間數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

        不同于其他觀測數(shù)據(jù),太陽光強足夠強,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。

        陳昌亞介紹:“當(dāng)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?jǐn)?shù)據(jù)將暫存在衛(wèi)星上的存儲器內(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,“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(yuǎn)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(yù)報的精度、準(zhǔn)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

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