解密探日“先鋒官”——羲和號

首次開展太陽Hα波段光譜成像空間探測

羲和號的全名是“太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛星”，整星重量為510千克，運行于軌道高度為517千米的晨昏太陽同步軌道。

衛星主要科學載荷為太陽空間望遠鏡，太陽Hα波段的光譜成像儀是羲和號觀測太陽的“金鑰匙”，它專門觀測光球層和色球層，在國際上首次實現了全日面太陽Hα波段的光譜成像，獲得了有國際影響力的科學產出，將顯著提高我國在太陽物理領域的國際影響力。

什么是太陽Hα譜線？研究人員解釋，太陽Hα譜線是研究太陽活動在光球和色球響應時最好的譜線之一，通過對該譜線的數據分析，可獲得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。

“之前只能在地球上對太陽Hα譜線進行探測，受大氣干擾，探測數據不連續、不穩定。現在通過太陽Hα波段光譜成像儀探測，對其進行高分辨率成像，46秒內就能獲得全日面1 600萬個點上的光譜，在300余個波長點上同時獲得色球和光球的二維圖像，可以更加準確地獲得太陽爆發時大氣溫度、速度等物理量的變化，進而建立太陽爆發從光球到日冕的完整物理模型。這對太陽底層大氣和太陽爆發的觀測具有重要意義。”研究人員說。

另外，羲和號是在太空“看”太陽，不受地球大氣擾動和天氣影響，避免了以往地面觀測的局限性。目前，羲和號完成了所有在軌測試項目。測試結果表明，衛星及相關系統各項性能指標均滿足工程研制建設總要求。從得到的初步觀測數據來看，數據質量達到了預期指標。

當前國際太陽探測成為熱點，我國在太陽觀測領域發表的論文數量已居世界第二位，但是使用的數據均來自于國外衛星數據。羲和號的發射成功打破了這種被動局面。此外，我國計劃成立衛星數據科學委員會，制定數據政策，供國內外科學家研究、使用、共享衛星探測數據，力爭產生原創性科學成果，為人類科學事業作出中國貢獻。

Hα波段下的全日面像

羲和號

首次采用“動靜隔離非接觸”總體設計新方法

以往傳統衛星采用平臺艙和載荷艙固連的設計方法，因此平臺艙活動部件的振動不可避免地會傳遞至載荷艙，造成載荷艙內太陽空間望遠鏡觀測質量的下降。

羲和號的研制團隊在國際上首次采用了“動靜隔離非接觸”總體設計新方法，將飛輪、太陽帆板等微振動源集中于平臺艙，將太陽Hα波段的光譜成像儀放置于載荷艙，并首次在軌應用磁浮控制等技術將平臺艙與載荷艙進行物理隔離。

磁浮作動器是磁浮控制重要的一環，也成為了羲和號載荷艙的“維穩擔當”。為了讓磁浮作動器擁有高精度、大帶寬、自身無干擾等能力，團隊采用閉合磁路優化設計，成功實現了磁場高均勻性，達到了大帶寬隔離平臺艙撓性與微振動干擾的效果；通過低噪聲、低紋波、高精度功放驅動電流精密控制，實現了超高精度驅動電流輸出。控制精度較傳統方式高出兩個數量級，確保了太陽空間望遠鏡等載荷可獲得超靜、超穩的工作環境，極大拓展了太陽空間望遠鏡等載荷的探測能力和適用范圍。

首次提出“載荷艙主動控制、平臺艙從動控制”

研究人員為羲和號的太陽Hα波段的光譜成像儀設計了很多觀測方式，有時需要對太陽進行平場定標，即需要控制衛星姿態依次指向太陽圓盤的9個不同區域；有時需要控制衛星姿態對太陽進行連續的擺掃觀測；有時需要對衛星進行暗場定標，即控制衛星姿態指向空間特定區域。

“平臺艙好比是飛機，控制分系統就是駕駛員，需要保證飛機穩定運行在航線上，載荷則是乘客。”研究人員打了個比方，盡管“乘客”很挑剔，但研制團隊通過5種不同的指向模式設計，及時響應和切換，使平臺艙可以輕松應對載荷的多種工作需求，保證對太陽的穩定連續觀測。

此外，羲和號的載荷艙和平臺艙具備鎖定和解鎖兩種狀態。當兩艙鎖定時，對平臺艙的控制實際上就是對整星的控制。一旦兩艙解鎖，情況就大不相同了。載荷艙與平臺艙存在相對運動，平臺艙必須實時跟蹤載荷艙，但兩艙間隙只有5毫米，平臺艙在跟蹤載荷艙運動時還要注意絕對不能讓兩艙之間發生碰撞。

如何實現兩艙協同控制？無數次的攻關、測試后，羲和號在國際上首次提出了“載荷艙主動控制、平臺艙從動控制”的新方法，解決了兩艙姿態和位置動力學耦合問題，實時、動態地將姿態控制力和位置控制力分配至對應的大帶寬超高精度磁浮作動器，實現了兩艙的穩定控制。

首次實現衛星大功率、高可靠、高效無線能源傳輸

羲和號的載荷艙和平臺艙處于非接觸狀態，傳統的供電方式無法滿足能源傳輸需求。如何解決載荷艙的能源獲取問題？又該怎樣實現整星的能源分配？

研制團隊經過多番論證與比對，提出了磁感應耦合式無線能量傳輸技術，首次在衛星上實現大功率、高可靠、高效無線能源傳輸技術的應用。

從能量輸入到能量輸出，整個鏈路的綜合轉換效率達到80%以上，在磁場耦合部分，磁傳輸效率達95%以上，實現了高效低熱耗的能量傳輸。該技術的應用，讓星上無線能源傳輸技術得到了充分的驗證，并為其他型號無線能源傳輸技術的應用奠定了基礎。

羲和號模擬圖

根據衛星在軌對能源不間斷需求、衛星工作狀態及軌道光照等特點，研制團隊對衛星電源系統的“大腦”電源控制器進行了升級。

研制團隊將原來分散的能量收集、儲存、控制與分配管理模式升級為一體化的智能管理模式，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，在為載荷艙提供源源不斷能量的同時，大大提升了在軌故障的處置及應變能力，為衛星在軌壽命提供了保證。并且，衛星采用激光通信和微波通信兩種“互為備份”的無線通信方式，在兩艙之間架起5G高速通信通道，進一步提升了艙間通信的效率和可靠性。

此外，羲和號上還有一位“新面孔”——艙間高速激光通信單機。該設備由中國航天科技集團八院802所激光中心團隊研制，負責艙間數據傳輸任務，這也是國內首個接入衛星平臺的艙間無纜化激光數傳設備，按計劃將在軌工作3年。

中國航天科技集團八院電子所負責的綜合電子分系統平臺艙管理單元和載荷艙的14臺產品，為整星提供對地測控、數傳及星務管理等功能，也是羲和號上不可或缺的“黑科技”。