解密探日“先锋官”——羲和号

首次开展太阳Hα波段光谱成像空间探测

羲和号的全名是“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”，整星重量为510千克，运行于轨道高度为517千米的晨昏太阳同步轨道。

卫星主要科学载荷为太阳空间望远镜，太阳Hα波段的光谱成像仪是羲和号观测太阳的“金钥匙”，它专门观测光球层和色球层，在国际上首次实现了全日面太阳Hα波段的光谱成像，获得了有国际影响力的科学产出，将显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。

什么是太阳Hα谱线？研究人员解释，太阳Hα谱线是研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一，通过对该谱线的数据分析，可获得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。

“之前只能在地球上对太阳Hα谱线进行探测，受大气干扰，探测数据不连续、不稳定。现在通过太阳Hα波段光谱成像仪探测，对其进行高分辨率成像，46秒内就能获得全日面1 600万个点上的光谱，在300余个波长点上同时获得色球和光球的二维图像，可以更加准确地获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化，进而建立太阳爆发从光球到日冕的完整物理模型。这对太阳底层大气和太阳爆发的观测具有重要意义。”研究人员说。

另外，羲和号是在太空“看”太阳，不受地球大气扰动和天气影响，避免了以往地面观测的局限性。目前，羲和号完成了所有在轨测试项目。测试结果表明，卫星及相关系统各项性能指标均满足工程研制建设总要求。从得到的初步观测数据来看，数据质量达到了预期指标。

当前国际太阳探测成为热点，我国在太阳观测领域发表的论文数量已居世界第二位，但是使用的数据均来自于国外卫星数据。羲和号的发射成功打破了这种被动局面。此外，我国计划成立卫星数据科学委员会，制定数据政策，供国内外科学家研究、使用、共享卫星探测数据，力争产生原创性科学成果，为人类科学事业作出中国贡献。

Hα波段下的全日面像

羲和号

首次采用“动静隔离非接触”总体设计新方法

以往传统卫星采用平台舱和载荷舱固连的设计方法，因此平台舱活动部件的振动不可避免地会传递至载荷舱，造成载荷舱内太阳空间望远镜观测质量的下降。

羲和号的研制团队在国际上首次采用了“动静隔离非接触”总体设计新方法，将飞轮、太阳帆板等微振动源集中于平台舱，将太阳Hα波段的光谱成像仪放置于载荷舱，并首次在轨应用磁浮控制等技术将平台舱与载荷舱进行物理隔离。

磁浮作动器是磁浮控制重要的一环，也成为了羲和号载荷舱的“维稳担当”。为了让磁浮作动器拥有高精度、大带宽、自身无干扰等能力，团队采用闭合磁路优化设计，成功实现了磁场高均匀性，达到了大带宽隔离平台舱挠性与微振动干扰的效果；通过低噪声、低纹波、高精度功放驱动电流精密控制，实现了超高精度驱动电流输出。控制精度较传统方式高出两个数量级，确保了太阳空间望远镜等载荷可获得超静、超稳的工作环境，极大拓展了太阳空间望远镜等载荷的探测能力和适用范围。

首次提出“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”

研究人员为羲和号的太阳Hα波段的光谱成像仪设计了很多观测方式，有时需要对太阳进行平场定标，即需要控制卫星姿态依次指向太阳圆盘的9个不同区域；有时需要控制卫星姿态对太阳进行连续的摆扫观测；有时需要对卫星进行暗场定标，即控制卫星姿态指向空间特定区域。

“平台舱好比是飞机，控制分系统就是驾驶员，需要保证飞机稳定运行在航线上，载荷则是乘客。”研究人员打了个比方，尽管“乘客”很挑剔，但研制团队通过5种不同的指向模式设计，及时响应和切换，使平台舱可以轻松应对载荷的多种工作需求，保证对太阳的稳定连续观测。

此外，羲和号的载荷舱和平台舱具备锁定和解锁两种状态。当两舱锁定时，对平台舱的控制实际上就是对整星的控制。一旦两舱解锁，情况就大不相同了。载荷舱与平台舱存在相对运动，平台舱必须实时跟踪载荷舱，但两舱间隙只有5毫米，平台舱在跟踪载荷舱运动时还要注意绝对不能让两舱之间发生碰撞。

如何实现两舱协同控制？无数次的攻关、测试后，羲和号在国际上首次提出了“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”的新方法，解决了两舱姿态和位置动力学耦合问题，实时、动态地将姿态控制力和位置控制力分配至对应的大带宽超高精度磁浮作动器，实现了两舱的稳定控制。

首次实现卫星大功率、高可靠、高效无线能源传输

羲和号的载荷舱和平台舱处于非接触状态，传统的供电方式无法满足能源传输需求。如何解决载荷舱的能源获取问题？又该怎样实现整星的能源分配？

研制团队经过多番论证与比对，提出了磁感应耦合式无线能量传输技术，首次在卫星上实现大功率、高可靠、高效无线能源传输技术的应用。

从能量输入到能量输出，整个链路的综合转换效率达到80%以上，在磁场耦合部分，磁传输效率达95%以上，实现了高效低热耗的能量传输。该技术的应用，让星上无线能源传输技术得到了充分的验证，并为其他型号无线能源传输技术的应用奠定了基础。

羲和号模拟图

根据卫星在轨对能源不间断需求、卫星工作状态及轨道光照等特点，研制团队对卫星电源系统的“大脑”电源控制器进行了升级。

研制团队将原来分散的能量收集、储存、控制与分配管理模式升级为一体化的智能管理模式，解决了平台舱和载荷舱联合供电、分舱供电及太空中能源传输技术难题，在为载荷舱提供源源不断能量的同时，大大提升了在轨故障的处置及应变能力，为卫星在轨寿命提供了保证。并且，卫星采用激光通信和微波通信两种“互为备份”的无线通信方式，在两舱之间架起5G高速通信通道，进一步提升了舱间通信的效率和可靠性。

此外，羲和号上还有一位“新面孔”——舱间高速激光通信单机。该设备由中国航天科技集团八院802所激光中心团队研制，负责舱间数据传输任务，这也是国内首个接入卫星平台的舱间无缆化激光数传设备，按计划将在轨工作3年。

中国航天科技集团八院电子所负责的综合电子分系统平台舱管理单元和载荷舱的14台产品，为整星提供对地测控、数传及星务管理等功能，也是羲和号上不可或缺的“黑科技”。