“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星“羲和號”出發了。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。“羲和號”是經過征名活動，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，每條光譜都可以被復原成一張日面像。

▲ 長二丁火箭成功發射我國首顆探日衛星“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，能夠直接反映爆發的源區特征。

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星總指揮陳建新解釋：“‘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?！?/p>

衛星執行經理兼副總師陳昌亞指出：“如果太陽磁場劇烈變化、日冕層發生爆發，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?！?/p>

他還解讀了羲和號衛星進行太陽探測的意義：“我們國家現有的空間天氣預報都是從國外獲取的，獲得的數據較為延遲，而且真實性難以保證，非常被動。‘羲和號’這樣的太陽探測衛星接續被送上天后，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?！?/p>

▲ 羲和號衛星模擬高清圖

去往新時代的5 毫米

“羲和號”是太陽雙超衛星，這“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和平臺固連在一起，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”需要一個穩定的環境。

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。

然而，這樣的設計對于衛星的姿態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星的姿態。有時要通過9個觀測點來對太陽進行平場定標，有時要控制衛星姿態對太陽進行連續的擺掃觀測，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，使得衛星有效載荷的探測更加穩定精準。

▲ 廠房里的羲和號衛星

▲ 羲和號衛星展開太陽能帆板

陳昌亞說，“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了三環路控制”。

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，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。能夠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。

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?！?/p>

面對面快傳數據

“羲和號”特殊的雙艙分離結構，對于數據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”平穩入軌后，開機工作。此后它將不間斷地負責艙間數據傳輸任務。

不同于其他觀測數據，太陽光強足夠強，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。

陳昌亞介紹：“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?！?/p>

激光通信子系統具備高速的激光傳輸接口，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。

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（ASO-S）。陳建新介紹：“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，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，后續甚至可以將‘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。”

未來已來。

“羲和號”又看了一眼太陽，按下了快門。

1、等待發射

2、試驗隊員合影