我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”成功发射

 (记者崔兴毅 通讯员张未、刘庆丰)记者从国家航天局获悉,10月14日18时51分,我国在太原卫星发射中心采用长征二号丁运载火箭,成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”。该卫星将实现国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间探测,填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白,提高我国在太阳物理领域研究能力,对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。

  “羲和号”全称太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星,运行于高度为517公里的太阳同步轨道,主要科学载荷为太阳空间望远镜。Hα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,有助于研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。卫星在轨运行期间,将观测太阳耀斑和日冕物质抛射的光球及色球表现,探究太阳爆发的源区动态特性和触发机制,同时探测太阳暗条形成和演化过程的色球表现,揭示其与太阳爆发的内在联系,还将获取全日面Hα波段多普勒速度分布,研究太阳低层大气动力学过程,为解决“太阳爆发由里及表能量传输全过程物理模型”等科学问题提供重要支撑。

  该卫星采用了超高指向精度、超高稳定度的“双超”卫星平台设计。平台将在轨应用磁浮技术,采用“动静隔离非接触”总体设计新方法,将平台舱与载荷舱物理隔离,阻断平台舱微振动对载荷工作的影响,大幅提高载荷姿态指向精度和姿态稳定度。未来,双超平台技术还将在高分辨率对地详查、大比例尺立体测绘、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中开展广泛应用,助推我国空间科学和空间技术跨越式发展。

  本次任务成功搭载了亚太空间合作组织的2颗政府间合作微小卫星:大学生小卫星-1、大学生小卫星-2A,主要开展盘绕式伸展臂展开、星基广播式监视及星间通信等技术验证。亚太空间合作组织是我国发起成立的第一个高技术领域国际组织,此次任务是该组织成立以来首次发射卫星。此外,本次发射还搭载了8颗商业微小卫星。

  国家航天局负责卫星工程组织管理、重大事项组织协调和发射许可审批,南京大学作为用户部门负责科学与应用系统建设与运行,中国陆地观测卫星数据中心组成单位按分工负责地面系统建设和运行,中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院负责卫星系统和运载火箭系统抓总研制,中国卫星发射测控系统部负责发射场及测控系统组织实施。

  此次任务是长征系列运载火箭第391次发射。

  为什么要“探日”

  光明日报记者 崔兴毅

  10月14日,我国首颗太阳探测科学技术试验卫星在太原卫星发射中心成功发射,对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义,标志着我国正式进入“探日”时代。记者就此采访了国家航天局对地观测与数据中心主任、高分辨率对地观测重大专项工程总设计师赵坚。

“羲和”起驾,我国进入“探日”时代

太阳探测科学技术试验卫星 雷春鸣摄/光明图片

  记者:探测太阳的意义是什么?

  赵坚:太阳是地球人类文明和经济社会发展最重要的环境影响因素,是万物生长的源泉。太阳是太阳系中最大的天体,距离地球约1.5亿公里,是离地球最近、与人类关系最密切的恒星。大约在46亿年前,太阳在距离银河系中心约2.6万光年处,由星云在自身引力作用下坍塌凝聚而形成。太阳寿命大致为100亿年,目前正处于壮年期。太阳直径达139万公里,是地球的109倍,质量达2000亿亿亿吨,是地球的33万倍,占整个太阳系总质量的99.87%。太阳是一颗时时刻刻发生氢、氦核聚变,发光发热的巨大恒星,为我们的地球带来了光明与能量。

  太阳对地球演化和人类文明发展的作用是不可或缺的。同时,太阳对地球的影响也是无处不在,主要体现在太阳爆发产生大量带电高能粒子,对地球电磁环境造成严重破坏,其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。太阳活动周期约11年,2021年至2022年是人类有记录以来第25个太阳活动周期的开始,全世界又进入太阳研究新的高峰期。探测和研究太阳活动、提出应对措施,可以降低或规避对地球的不利影响。我国作为航天大国,及时开展太阳探测活动,十分必要,不能缺席。

  记者:人类目前对太阳探测的进展如何?

  赵坚:自古以来,人类对太阳充满了好奇,通过各种方式对其进行了观测和研究。20世纪60年代以来,随着航天技术的快速发展,全世界已发射了70多颗太阳观测卫星,主要集中在美国、俄罗斯等国家,主要聚焦太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射的观测研究。

  太阳黑子存在于太阳光球表面,是磁场的聚集之处,太阳黑子的数量和位置每隔一段时间会发生周期性的变化。太阳耀斑是一种强烈的辐射爆炸,是太阳系中最激烈的局部区域的爆炸事件,它所辐射出的光的波长横跨整个电磁波谱。日冕物质抛射是太阳释放能量的另一种形式,一次巨大的太阳爆发日冕物质抛射事件,可让数十亿吨的物质短时间内离开太阳,喷射到宇宙空间。

  近期典型的太阳探测器,如2006年10月美国发射的世界第一对孪生太阳观测卫星——日地关系观测平台,对太阳黑子爆发进行了三维成像,帮助科学家们研究太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响;2009年1月,俄罗斯发射了“科罗纳斯”太阳探测卫星,探测太阳内部结构及太阳活动对地球气候、大气层及生物圈的影响;2018年美国“帕克”太阳探测器发射升空,近距离对太阳结构进行探测,获得了相当的成果。当前世界主要趋势是对太阳结构、磁场、黑子、耀斑、太阳大气等进行综合观测和抵近观测。

  记者:我国太阳探测的计划是什么?

  赵坚:中国目前已经制定了两个太阳探测计划。它们分别是“羲和”和“夸父”探测计划,这是太阳探测的中国方案和中国贡献。“羲和号”是发射太阳Hα光谱探测与超高指向精度、超高稳定度卫星平台试验的科学技术试验卫星,实现我国太阳探测破冰之旅。羲和是中国上古神话中的太阳女神,是掌管时间和历法的太阳神,并以太阳母亲的形象为人们所认知。“夸父”计划是研制发射先进天基太阳天文台卫星,对太阳进行科学观测,已纳入中国科学院先导计划。夸父源自《山海经》中的夸父追日,广为人们所熟知。这两个计划经过多年的准备,终于拉开序幕,“羲和号”卫星设计寿命3年,运行于517公里高度、倾角98度的太阳同步轨道,该轨道将经过地球的南北极,能够24小时连续地对太阳进行观测。“夸父”计划天基太阳天文台卫星计划明年发射,也是运行于太阳同步轨道,轨道高度约700公里。

  此外,我国正在论证后续太阳探测发展计划,科学家们希望按照在黄道面内多视角探测、大倾角太阳极区探测和太阳抵近观测“三步走”实施,由易到难,逐步深入,进一步了解太阳的构造,确定太阳活动的三维结构,掌握机理和活动规律,预报空间天气,造福人类,趋利避害。

  记者:我国首次探日有哪些意义?

  赵坚:一是实现我国太阳探测零的突破,标志着我国正式步入“探日”时代。“羲和号”卫星的主要科学载荷为Hα成像光谱仪。太阳Hα谱线是光子与氢原子相互作用后电子能级跃迁产生的谱线之一,其线心位于可见光波段,是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能够直接反映爆发的源区特征。此前,只能在地球上进行探测,因受大气干扰,探测数据不连续不稳定,现在通过“羲和号”探测太阳Hα谱线,对其进行高分辨率成像,在46秒内获得全日面1600万个点上的光谱,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能量积累、释放、传输的完整物理模型,对研究太阳爆发的动力学过程及物理机制提供关键依据,对太阳底层大气和太阳爆发的观测具有重要意义。“羲和号”卫星在轨开展的相关试验,是国际上第一次在太空进行Hα谱线研究,有望获得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。

  二是在轨试验超高指向精度、超高稳定度的新型卫星平台技术,推动我国高精度卫星平台技术革命性、跨越性发展。随着我国航天产业的不断发展,对地观测、空间科学探测等各类航天任务对高性能卫星平台的需求越来越迫切,尤其亟须发展具有超高指向精度、超高稳定度指标的卫星平台。“羲和号”卫星平台从总体设计理念上打破传统固连设计思想,采用非接触磁浮作动器实现载荷舱与平台舱的动静隔离,通过主从协同设计,实现载荷舱超精超稳及两舱协同控制,解决了传统卫星载荷与平台固连设计导致的微振动难测、难控的技术瓶颈问题,与传统卫星平台相比,“羲和号”卫星平台的指向精度、姿态稳定度均提高了两个数量级。同时,“羲和号”卫星还将在轨验证无线能源传输、舱间无线通信、舱间激光通信、重复连接释放、舱间电缆脱落与收纳、原子鉴频太阳导航仪等多项新技术和新产品。“羲和号”高性能技术卫星平台在轨试验成功后,是世界上首次将磁悬浮技术在航天器上进行工程应用,将大幅提升我国空间观测技术水平,有望在将来的对地观测、空间科学探测等新一代航天任务中得到广泛应用,应用前景广阔。

  三是开拓我国太阳探测国际合作和交流的新局面,大幅提高我国在太阳物理领域研究的国际地位。国际太阳探测发展变化很快,我国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位,但是使用的数据均来自国外卫星数据。该卫星发射成功后,将打破我国在此领域的被动局面,我国将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。

  四是激发探索空间科学的热情,培养创新高端人才。通过首次太阳探测计划,可大量培养我国在空间科学和空间技术的高端创新人才,并通过对所获数据的分析,与世界其他国家开展太阳探测数据共享、结合和互补,更好地开展太阳活动机理研究,探索太阳系起源及演变规律及对地球大气及生物圈的影响,提高我国空间科学国际竞争力。与此同时,进一步提高人民群众的科学素养,激发青少年探索空间科学的热情。

  记者:此次探测任务有哪些特点?

  赵坚:一是起步晚,起点高。“十三五”期间,国家航天局组织中国航天科技集团、南京大学、中国科学院等单位,紧密围绕国家航天发展规划,瞄准我国航天发展急需的创新技术验证和空间科学前沿研究需求,制定了空间科学研究发展路线图,提出了“太阳Hα波段光谱成像探测+超高指向精度、超高稳定度卫星平台技术飞行验证”的任务目标。虽然起步晚,但在轨验证新技术新产品多,试验项目丰富,探测目标聚焦准确,研究起点高。

  二是紧紧围绕太阳探测热点问题,提出中国特色太阳探测模式。“羲和号”卫星采用国际首创的双超新技术卫星平台,实现了载荷在轨指向的超高精度和超高稳定度控制,比目前同等惯量的卫星平台提高了两个数量级。国际上首次提出了天文光谱测速导航新方法和新技术,通过太阳光谱的研究和利用实现每秒1米量级的飞行器高精度速度测量。这两项技术都具有国际先进水平。

  三是组织国内优势单位大力协同,攻坚克难。“羲和号”于2019年6月正式立项,研制周期短,技术难度大,国家航天局组织中国科学院、中国航天科技集团、南京大学等优势单位,充分发挥政府机构、科研院所、高等院校、工程研制单位作用,克服了研究时间短、经费少、研制难度大的不利因素,团结合作、群策全力,高效高质完成了研制发射任务。

  本次发射采用长征二号丁一箭十一星“拼车”发射方式,除将“羲和号”主星成功发射外,还将亚太空间合作组织2颗大学生小卫星、和德宇航公司2颗卫星、低轨导航增强试验卫星、轨道大气密度探测卫星、气象星座试验卫星、空间交通试验卫星等10颗搭载小卫星发射入轨。

  这颗探日卫星有哪些不同

  光明日报记者 崔兴毅 光明日报通讯员 黄帆

  我国首颗太阳探测科学技术试验卫星由中国航天科技集团八院抓总研制。卫星总指挥陈建新告诉记者,该卫星将实现国际首次全日面Hα波段光谱成像观测,并首次在轨应用磁浮控制,实现卫星超高指向精度、超高稳定度。太阳探测科学技术试验卫星的成功发射对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。

  国际首次实现空间太阳Hα波段光谱成像探测

  太阳探测科学技术试验卫星运行于轨道高度为517km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,国际首次实现空间太阳Hα波段的光谱成像探测。

  据了解,Hα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。

  “太阳探测科学技术试验卫星空间太阳Hα波段的光谱成像探测可一次实现三大科学目标。”卫星总设计师程卫强告诉记者,一是观测太阳耀斑和日冕物质抛射的光球及色球表现,揭示太阳爆发的源区动态特性和触发机制;二是观测太阳暗条形成和演化过程的色球表现,揭示其与太阳爆发的内在联系;三是获取全日面Hα波段多普勒速度分布,研究太阳低层大气动力学过程,为解决“太阳爆发由里及表能量传输全过程物理模型”等科学问题提供重要支撑,显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。

  首次在轨应用磁浮控制,实现卫星超高指向精度、超高稳定度

  传统卫星采用平台舱和载荷舱固连的设计,因此平台舱活动部件振动不可避免会传递至载荷,造成观测质量下降。针对当前平台微振动直接影响载荷的瓶颈,太阳探测科学技术试验卫星在国际上首次采用“动静隔离非接触”总体设计,将平台舱与载荷舱物理隔离,并将飞轮、太阳帆板等微振动源集中于平台舱、太阳Hα光谱仪放置于载荷舱,采用磁浮控制技术和执行机构实现两者物理非接触隔离。

  “这不仅阻断了平台舱微振动的传递路径,同时解决了平台舱热变形对载荷舱影响,使载荷控制精度和稳定度提升两个数量级以上。”陈建新说。

  采用“动静隔离非接触”总体设计方法后,太阳探测科学技术试验卫星将载荷舱和平台舱分成了互不连接的两部分,又产生了两舱如何协同控制的问题。

  “我们在国际上首次提出‘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,解决两舱姿态和位置动力学耦合问题,实时、动态地将姿控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。”程卫强说。

  无线充电、高速通信,两舱间能源与信息可靠传输

  因两舱之间完全隔离,太阳探测科学技术试验卫星的载荷舱和平台舱无法通过电缆传输能源和信息。为此,卫星采用无线能源传输系统,把平台舱的能量源源不断地传输至载荷舱,满足载荷舱在整个寿命期间、各种工作模式下的能源需求。

  双超卫星平台首次在轨飞行获得的第一手飞行试验数据将大大降低双超控制技术后续应用风险,为双超平台系列化发展奠定坚实的技术基础。据了解,双超平台技术还将在高分辨率对地详查、大比例尺立体测绘、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中进行广泛推广应用,推动我国空间科学领域、航天技术领域跨越式发展。