“羲和号”开启我国探日之旅

2021-12-16任长胜

发明与创新 2021年46期

◆任长胜

曦日东升，黑暗消散。阳光穿过罅隙，神圣又温暖，人们把它叫作希望。

怀揣希望，人们在时光旅途中越走越远，从茹毛饮血到烹龙炮凤，从刀耕火种变智能自动。人们开始好奇，传播希望的太阳是怎样的存在？朝暮赤红，晌午夺目，这都是它的样子，也都不是它的样子。2021年10月14日，“羲和号”作为我国派去观测太阳的第一位“使者”，正式开启了探日之旅。

图1 “羲和号”探日示意图（图/航天科技集团八院）

打卡太阳

517公里高空的晨昏太阳同步轨道上，510公斤的“羲和号”打量着太阳。“羲和号”是通过征名活动，网友们赋予我国首颗太阳探测卫星的名字，从此，神话般的星海又多了一抹传奇色彩。

通过超高指向精度和超高稳定度的双超平台，装载Hα成像光谱仪的“羲和号”可以较好地通过两种方式观测太阳：白光连续谱成像和光谱扫描成像。

在白光连续谱成像模式下可以获得全日面像，如按下手机快门拍照一样简单。在光谱扫描成像模式下，“羲和号”搭载的Hα成像光谱仪通过对太阳全日面扫描，历时约46秒，可以获得4600多条光谱，每条光谱都能被复原成一张日面像。

Hα谱线在天文学和物理学上是氢的一条具体可见的红色发射谱线。太阳光谱中的Hα波段谱线是太阳爆发时响应最强的色球谱线，能直接反映爆发的源区特征。

“羲和号”是国际首发实现空间太阳Hα波段的光谱成像探测的卫星，通过对Hα光谱数据的分析，可以从光球层到色球层获取太阳低层大气的信息，从而推演太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化，研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。

如果太阳磁场剧烈变化、日冕层爆发，会对地球磁场、地球上的卫星产生影响，对多种领域产生干扰，包括通信信号。“羲和号”接续被送上天后，我国将可以自主掌控相对精准的空间天气预报，不受他人掣肘。

图2 10月14日18时51分，我国在太原卫星发射中心用长征二号丁运载火箭，成功将太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星发射升空。卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。（新华社发）

去往新时代的5毫米

“羲和号”是太阳双超卫星，“双超”指的是超高指向精度、超高稳定度。传统卫星的有效载荷往往与平台固连在一起，但卫星运行时多个器件同时工作，星体难免出现微小振动，载荷的工作环境并不稳定。而作为高精度探测任务的执行者，“羲和号”需要一个稳定的工作环境。

以“动静隔离非接触”总体设计新方法为导向，研发团队成功研制出高精度、大带宽、自身无干扰等特点的磁浮作动器，将载荷舱通过磁悬浮的方式与平台舱连接，形成物理隔离。不接触，平台舱上的振动无法传递，载荷舱就相当平稳。然而，这样的设计对于卫星的姿态控制提出了更高的要求。

图3 长征二号丁运载火箭

“羲和号”上的Hα成像光谱仪在观测太阳时，会因不同工作方式的需要改变卫星的姿态——有时要通过9个观测点对太阳进行平场定标，有时要控制卫星姿态对太阳进行连续摆扫观测，有时要对卫星进行暗场定标，控制卫星姿态指向空间特定区域。当载荷舱变换姿态，平台舱也要第一时间跟着变化，避免碰撞。这种“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”的主从协同控制解耦新方法，让卫星有效载荷的探测更加稳定、精准。

不同于传统卫星的整体姿态控制，“羲和号”的载荷舱、平台舱以及两舱之间相对位置的姿态控制形成三环路控制。载荷舱和平台舱之间正负5毫米的调整距离，似是卫星奔赴新时代的距离。

太空无线充电

载荷舱和平台舱分离，传统的供电方式无法满足能源传输需求。

早在20世纪中后期，美国宇航局就已提出太空磁感应式无线传输技术，并成功在卫星上实现应用。而到目前为止，我国仅在地面实验室开展了相关实验工作，能在卫星上应用大功率、长寿命的无线能源传输技术是几代中国航天人的愿望。

在卫星上进行大功率无线能源传输需要克服空间环境的复杂性，应对随时交变的温度、充满未知的磁场变化。不像手机无线充电那么简单，太空的“无线充电”除功率大外，电流还需经历多次转化。太阳帆板与蓄电池提供的均为直流电，在开展载荷舱和平台舱的无线能源传输过程中，需经历一番从直流到交流到磁场，再从磁场到交流到直流的转换过程。