甘為群 諸 成 陳 斌 黃 宇

(1 中國科學(xué)院紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文重點實驗室 南京 210023)(2 中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 201203)(3 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

1 引言

中國空間太陽探測的嘗試最早可以追溯到上世紀(jì)70年代中期[1],當(dāng)時由紫金山天文臺牽頭提出并實施中國“天文一號”衛(wèi)星計劃;上世紀(jì)90年代早期,載人航天工程起步,利用實驗飛船搭載空間天文儀器的計劃于1994年獲得批準(zhǔn),紫金山天文臺和高能物理所花費近7 yr時間研制的3臺高能輻射譜儀于2001年1月10月隨神州二號飛船發(fā)射升空,在約半年的工作時間內(nèi)觀測到上百個太陽耀斑的X射線暴和近10個太陽耀斑的伽馬射線暴及若干宇宙伽馬射線暴;幾乎同一時間,國家天文臺牽頭提出并花費10余年多渠道推進(jìn)空間太陽望遠(yuǎn)鏡計劃;2004年紫金山天文臺、南京大學(xué)等與法國有關(guān)單位聯(lián)合提出太陽爆發(fā)探測小衛(wèi)星(SMall Explorer for Solar Eruptions,SMESE)計劃并在國防科工委等支持下推進(jìn)數(shù)年;北京大學(xué)牽頭的日地三星計劃(夸父計劃)中一顆位于L1點的衛(wèi)星也是主要用來觀測太陽······所有這些計劃中,除了神州二號搭載取得成功以外,在2010年這個時間點上,其余均未走到工程立項和發(fā)射階段.先進(jìn)天基太陽天文臺(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)正是在這樣的背景下于2011年提出的.

早在2006年,中國科學(xué)院啟動了新一輪中國空間科學(xué)規(guī)劃研究,規(guī)劃的結(jié)果直接導(dǎo)致中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的形成,簡單地說,就是從2011年開始,中國科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)入了新時代.當(dāng)時,國際上自上世紀(jì)60年代以來,已經(jīng)發(fā)射了近70顆專門進(jìn)行太陽探測或有關(guān)的衛(wèi)星,還有多顆衛(wèi)星已經(jīng)列入計劃[2–3],中外差距很大.如何基于國內(nèi)當(dāng)時的條件和參考國際前沿提出具有自身特色的空間太陽探測計劃,是擺在中國太陽物理界面前的一個迫切問題.ASO-S團(tuán)隊抓住中國科學(xué)衛(wèi)星計劃啟動的機(jī)遇,先后經(jīng)歷了預(yù)先研究(2011—2013年)、背景型號研究(2014—2016年)、綜合立項論證(2016—2017年),終于在2017年底獲得中科院批復(fù)正式工程立項.經(jīng)過近5 yr的工程研制,ASO-S于北京時間2022年10月9日7時43分發(fā)射升空,開啟了中國綜合性太陽空間觀測的時代.ASOS也是走過標(biāo)準(zhǔn)化全流程的空間科學(xué)先導(dǎo)專項的第1顆科學(xué)衛(wèi)星.

衛(wèi)星發(fā)射成功后,ASO-S的中文昵稱被命名為“夸父一號”.中國神話“夸父逐日”的故事眾所周知,選擇“夸父”作為中國探日衛(wèi)星的名稱,與已經(jīng)使用中國神話“嫦娥奔月”故事中的“嫦娥”作為中國探月工程的名稱相呼應(yīng),太陽對月亮,夸父對嫦娥,突顯中國文化,相得益彰.

2 衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)和載荷構(gòu)成

ASO-S(夸父一號)的科學(xué)目標(biāo)[4–5]簡稱“一磁兩暴”,即同時觀測太陽磁場和太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象—耀斑和日冕物質(zhì)拋射,研究它們的形成、演化、相互作用及可能存在的因果關(guān)聯(lián),并為空間天氣預(yù)警和預(yù)報提供支持.其關(guān)鍵科學(xué)問題可以概括成“三個關(guān)系”,即磁場與耀斑的關(guān)系;磁場與日冕物質(zhì)拋射的關(guān)系;日冕物質(zhì)拋射與耀斑的關(guān)系.

ASO-S(夸父一號)的主要創(chuàng)新點是:首次以“一磁兩暴”作為衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)并配置相應(yīng)的載荷組合;首次在一顆近地衛(wèi)星上對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像、日冕物質(zhì)拋射的日面形成和近日冕傳播同時進(jìn)行觀測;首次在萊曼阿爾法譜線波段實現(xiàn)全日面和近日冕無縫同時成像觀測.

為實現(xiàn)“一磁兩暴”的科學(xué)目標(biāo),ASO-S(夸父一號)上共配備了3臺載荷:全日面矢量磁像儀(Full-disc vector MagnetoGraph,FMG)[6–7],用來觀測太陽全日面矢量磁場;萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡(Lyman-alpha Solar Telescope,LST)[8–10],主要用來觀測日冕物質(zhì)拋射的形成和近日冕傳播;硬X射線成像儀(Hard X-ray Imager,HXI)[11–12],主要用來觀測太陽耀斑的非熱輻射形態(tài)及能譜特征.載荷在衛(wèi)星上的布局見圖1.3臺載荷各有特色,例如FMG強(qiáng)調(diào)高靈敏度和高時間分辨率,全日面矢量磁場的時間分辨率可達(dá)40 s;LST則可以從日心到2.5個太陽半徑同時在萊曼阿爾法譜線波段和白光連續(xù)譜波段進(jìn)行成像;HXI的成像原理是基于傅里葉變換間接成像,其傅里葉分量相較于國際空間調(diào)制成像同類設(shè)備有大幅提高.更為重要的是,ASO-S(夸父一號)強(qiáng)調(diào)的是3臺載荷的組合優(yōu)勢,這構(gòu)成了衛(wèi)星的一大特色.

圖1 ASO-S衛(wèi)星效果圖Fig.1 The layout of ASO-S

3 衛(wèi)星任務(wù)

ASO-S(夸父一號)衛(wèi)星工程由衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)6大系統(tǒng)組成.衛(wèi)星系統(tǒng)由中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負(fù)責(zé)研制,其中3個載荷FMG、LST和HXI分別由中國科學(xué)院國家天文臺、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所和紫金山天文臺負(fù)責(zé)研制.地面支撐系統(tǒng)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)研制,其中科學(xué)數(shù)據(jù)的地面接收由中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所負(fù)責(zé).科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由中國科學(xué)院紫金山天文臺負(fù)責(zé)研制.衛(wèi)星工程總體由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé).

2022年10月9日,ASO-S(夸父一號)衛(wèi)星由長征二號丁遙五十五號運載火箭送入到距地面平均高度720 km、軌道傾角為98.27°、降交點地方時6:00am、偏心率為0、周期約為99 min的太陽同步軌道.該軌道可以保證衛(wèi)星長時間連續(xù)不間斷地觀測太陽,只有在每年5至8月衛(wèi)星會短時間進(jìn)入地球陰影,最長不超過18 min.預(yù)期經(jīng)過4到6個月的在軌調(diào)試階段,衛(wèi)星將交付用戶進(jìn)入正常工作模式,屆時衛(wèi)星上3個載荷每天觀測到的大約500 GB數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后連同數(shù)據(jù)分析軟件將通過科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)[13]和地面支撐系統(tǒng)對全球太陽物理及相關(guān)領(lǐng)域研究者開放,實行數(shù)據(jù)共享政策,共同實現(xiàn)ASO-S(夸父一號)衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo).

ASO-S(夸父一號)設(shè)計壽命不少于4 yr,可望完整覆蓋太陽活動第25周峰年.為了取得預(yù)期的成果,ASO-S(夸父一號)科學(xué)團(tuán)隊除了正在完善科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)各項功能,也在極力爭取各方的支持,努力為國內(nèi)外太陽物理學(xué)家圍繞ASO-S(夸父一號)數(shù)據(jù)開展太陽物理前沿研究提供優(yōu)質(zhì)的平臺,包括與2021年10月發(fā)射的我國第1顆太陽探測科學(xué)試驗衛(wèi)星“羲和號”[14]的緊密合作,期待“早出成果,多出成果,出大成果”,以期在國際太陽空間探測歷史上留下中國貢獻(xiàn)的印記.有關(guān)衛(wèi)星的一些技術(shù)細(xì)節(jié),也可參見ASO-S中文專輯[15–21].