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    “羲和”追日,這些高科技將讓它的“首拍”超

    作為中國衛星史上第一位太陽專屬的“攝像師”,“羲和號”開創了多個“首次”。近期,“羲和號”將獲得首批觀測數據。研究團隊將在對觀測數據進行科學標定處理后,向國內外公布。
     
      效法羲和馭天馬,志在長空牧群星。“羲和”是上古神話中的太陽女神與制定時歷的女神。10月14日,以“羲和”命名的我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星在太原衛星發射中心成功發射,這標志著我國正式步入“探日”時代。作為中國衛星史上第一位太陽專屬的“攝像師”,“羲和號”開創了多個“首次”。
     
      “羲和號”發射任務完成之后,南京大學研發團隊即刻與衛星系統、測控系統和地面系統團隊聯合開展“羲和號”的在軌測試工作,近期將獲得首批觀測數據,在進行科學標定處理后,向國內外公布。
     
      首次開展
     
      太陽Hα波段光譜成像空間探測
      自上世紀60年代以來,世界各國已經先后發射了70多顆太陽探測衛星。例如,1990年發射、首次實現太陽極軌探測的“尤利西斯”號探測器;2018年發射、首次對太陽進行最近距離(9個太陽半徑)抵近探測的“帕克”探測器;2020年發射、計劃首次獲取太陽極區圖像并近距離探測太陽風等離子體、高能粒子的“太陽軌道飛行器”等。
     
      人類為何對太陽如此著迷?“羲和號”科學與應用系統總設計師、南京大學副教授李川告訴科技日報記者:“太陽是距離地球最近的恒星,是唯一可以實現高時空分辨率觀測的恒星。它是我們了解宇宙的一個窗口,通過對它的觀測和研究,可以了解一些基本的天體物理過程,比如磁場的產生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發的物理機制等。其次,太陽爆發活動是災害性空間天氣的源頭,觀測和研究太陽,對災害性空間天氣的預警和預報有重大的應用價值。”
     
      那么,探測太陽的衛星與探測月球、火星的衛星又有何不同呢?李川介紹:“由于太陽的輻射非常強,在地球軌道處的輻射強度為每平方米1.36千瓦,因此‘羲和號’上的太陽空間望遠鏡首先需要考慮的是溫度控制,要通過濾光鏡僅讓所需要的波段進入望遠鏡系統,再通過相關熱控技術將望遠鏡系統控制在工作溫度范圍內;另外,還需要重點考慮雜散光抑制,通過涂層、光闌等方式將系統內的散射光降到最低。”
     
      Hα是研究太陽活動在光球和色球響應時最好的譜線之一,“羲和號”將在國際上首次實現對太陽Hα波段光譜成像的空間探測。“Hα線翼反映了太陽光球層信息,而線心則反映了色球層信息。一條譜線的光譜成像可獲得光球和色球不同層次的信息,相當于給太陽做了一個縱切面的分析。”李川說。
     
      首次采用
     
      “動靜隔離非接觸”總體設計新方法
     
      中國航天科技集團八院相關負責人介紹,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,造成載荷艙內望遠鏡觀測質量的下降。
     
      此次“羲和號”衛星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光譜儀放置于載荷艙,并首次在軌應用磁浮控制技術和執行機構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”。中國航天科技集團八院相關負責人介紹,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”
     
      作為中國衛星史上第一位太陽專屬“攝像師”,研究人員為“羲和號”的太陽Hα光譜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。”中國航天科技集團八院控制所“羲和號”衛星平臺艙控制分系統行政指揮林榮峰打了個比方,盡管“乘客”很挑剔,但研發團隊通過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。但一旦兩艙解鎖,情況就大不相同了。”中國航天科技集團八院控制所“羲和號”衛星平臺艙控制分系統技術負責人聶章海說,“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
     
      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?
     
      中國航天科技集團八院811所(以下簡稱811所)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。”811所“羲和號”無線傳輸子系統主任設計師張俊亭說。
     
      根據衛星在軌對能源不間斷的需求、衛星工作狀態及軌道光照等特點,811所研制人員對衛星電源系統的“大腦”電源控制器也進行了升級。
     
      811所“羲和號”電源子系統主任設計師周成召說:“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。”
     
      此外,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。
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