“羲和號(hào)”開創(chuàng)多個(gè)“首次” 這些高科技將讓它的“首拍”超精超穩(wěn)

作為中國(guó)衛(wèi)星史上第一位太陽專屬的“攝像師”，“羲和號(hào)”開創(chuàng)了多個(gè)“首次”。近期，“羲和號(hào)”將獲得首批觀測(cè)數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)將在對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)標(biāo)定處理后，向國(guó)內(nèi)外公布。

效法羲和馭天馬，志在長(zhǎng)空牧群星。“羲和”是上古神話中的太陽女神與制定時(shí)歷的女神。10月14日，以“羲和”命名的我國(guó)首顆太陽探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，這標(biāo)志著我國(guó)正式步入“探日”時(shí)代。作為中國(guó)衛(wèi)星史上第一位太陽專屬的“攝像師”，“羲和號(hào)”開創(chuàng)了多個(gè)“首次”。

“羲和號(hào)”發(fā)射任務(wù)完成之后，南京大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)即刻與衛(wèi)星系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和地面系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展“羲和號(hào)”的在軌測(cè)試工作，近期將獲得首批觀測(cè)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行科學(xué)標(biāo)定處理后，向國(guó)內(nèi)外公布。

首次開展

太陽Hα波段光譜成像空間探測(cè)

自上世紀(jì)60年代以來，世界各國(guó)已經(jīng)先后發(fā)射了70多顆太陽探測(cè)衛(wèi)星。例如，1990年發(fā)射、首次實(shí)現(xiàn)太陽極軌探測(cè)的“尤利西斯”號(hào)探測(cè)器;2018年發(fā)射、首次對(duì)太陽進(jìn)行最近距離(9個(gè)太陽半徑)抵近探測(cè)的“帕克”探測(cè)器;2020年發(fā)射、計(jì)劃首次獲取太陽極區(qū)圖像并近距離探測(cè)太陽風(fēng)等離子體、高能粒子的“太陽軌道飛行器”等。

人類為何對(duì)太陽如此著迷?“羲和號(hào)”科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、南京大學(xué)副教授李川告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“太陽是距離地球最近的恒星，是唯一可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率觀測(cè)的恒星。它是我們了解宇宙的一個(gè)窗口，通過對(duì)它的觀測(cè)和研究，可以了解一些基本的天體物理過程，比如磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發(fā)的物理機(jī)制等。其次，太陽爆發(fā)活動(dòng)是災(zāi)害性空間天氣的源頭，觀測(cè)和研究太陽，對(duì)災(zāi)害性空間天氣的預(yù)警和預(yù)報(bào)有重大的應(yīng)用價(jià)值。”

那么，探測(cè)太陽的衛(wèi)星與探測(cè)月球、火星的衛(wèi)星又有何不同呢?李川介紹：“由于太陽的輻射非常強(qiáng)，在地球軌道處的輻射強(qiáng)度為每平方米1.36千瓦，因此‘羲和號(hào)’上的太陽空間望遠(yuǎn)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(jìn)入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，再通過相關(guān)熱控技術(shù)將望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)控制在工作溫度范圍內(nèi);另外，還需要重點(diǎn)考慮雜散光抑制，通過涂層、光闌等方式將系統(tǒng)內(nèi)的散射光降到最低。”

Hα是研究太陽活動(dòng)在光球和色球響應(yīng)時(shí)最好的譜線之一，“羲和號(hào)”將在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽Hα波段光譜成像的空間探測(cè)。“Hα線翼反映了太陽光球?qū)有畔?，而線心則反映了色球?qū)有畔?。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(dāng)于給太陽做了一個(gè)縱切面的分析。”李川說。

首次采用

“動(dòng)靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)新方法

中國(guó)航天科技集團(tuán)八院相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，傳統(tǒng)衛(wèi)星采用平臺(tái)艙和載荷艙固連的設(shè)計(jì)方法，因此平臺(tái)艙活動(dòng)部件的振動(dòng)不可避免地會(huì)傳遞至載荷艙，造成載荷艙內(nèi)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)質(zhì)量的下降。

此次“羲和號(hào)”衛(wèi)星研制團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次采用了“動(dòng)靜隔離非接觸”總體設(shè)計(jì)新方法，將飛輪、太陽帆板等微振動(dòng)源集中于平臺(tái)艙，將太陽Hα光譜儀放置于載荷艙，并首次在軌應(yīng)用磁浮控制技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)將平臺(tái)艙與載荷艙進(jìn)行物理隔離。

“磁浮作動(dòng)器”是磁浮控制重要的一環(huán)，也成為了“羲和號(hào)”載荷艙的“維穩(wěn)擔(dān)當(dāng)”。中國(guó)航天科技集團(tuán)八院相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，為了讓磁浮作動(dòng)器擁有高精度、大帶寬、自身無干擾等能力，團(tuán)隊(duì)采用閉合磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)高均勻性，達(dá)到了大帶寬隔離平臺(tái)艙撓性與微振動(dòng)干擾的效果;通過低噪聲、低紋波、高精度功放驅(qū)動(dòng)電流精密控制，實(shí)現(xiàn)了超高精度驅(qū)動(dòng)電流輸出，控制精度較傳統(tǒng)方式高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，確保了太陽空間望遠(yuǎn)鏡等載荷可獲得超靜、超穩(wěn)的工作環(huán)境，極大拓展了望遠(yuǎn)鏡等載荷的探測(cè)能力和適用范圍。

首次提出

“載荷艙主動(dòng)控制、平臺(tái)艙從動(dòng)控制”

作為中國(guó)衛(wèi)星史上第一位太陽專屬“攝像師”，研究人員為“羲和號(hào)”的太陽Hα光譜儀設(shè)計(jì)了很多觀測(cè)方式，有時(shí)需要對(duì)太陽進(jìn)行平場(chǎng)定標(biāo)，即需要控制衛(wèi)星姿態(tài)依次指向太陽圓盤的9個(gè)不同區(qū)域;有時(shí)需要控制衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)太陽進(jìn)行連續(xù)的擺掃觀測(cè);有時(shí)需要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行暗場(chǎng)定標(biāo)，即控制衛(wèi)星姿態(tài)指向空間特定區(qū)域。

“平臺(tái)艙好比是飛機(jī)，控制分系統(tǒng)就是駕駛員，需要保證飛機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在航線上，載荷則是乘客。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院控制所“羲和號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)艙控制分系統(tǒng)行政指揮林榮峰打了個(gè)比方，盡管“乘客”很挑剔，但研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過5種不同的指向模式設(shè)計(jì)，及時(shí)響應(yīng)和切換，使平臺(tái)艙可以輕松應(yīng)對(duì)載荷的多種工作需求，保證對(duì)太陽的穩(wěn)定連續(xù)觀測(cè)。

此外，“羲和號(hào)”的載荷艙和平臺(tái)艙具備鎖定和解鎖兩種狀態(tài)。“當(dāng)兩艙鎖定時(shí)，對(duì)平臺(tái)艙的控制實(shí)際上就是對(duì)整星的控制。但一旦兩艙解鎖，情況就大不相同了。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院控制所“羲和號(hào)”衛(wèi)星平臺(tái)艙控制分系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人聶章海說，“載荷艙與平臺(tái)艙存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)艙必須實(shí)時(shí)跟蹤載荷艙，但兩艙間隙只有5毫米，平臺(tái)艙在跟蹤載荷艙運(yùn)動(dòng)時(shí)還要注意絕對(duì)不能讓兩艙之間發(fā)生碰撞。”

如何實(shí)現(xiàn)兩艙協(xié)同控制?無數(shù)次的攻關(guān)、測(cè)試后，“羲和號(hào)”在國(guó)際上首次提出了“載荷艙主動(dòng)控制、平臺(tái)艙從動(dòng)控制”的新方法，解決了兩艙姿態(tài)和位置動(dòng)力學(xué)耦合問題，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地將姿態(tài)控制力和位置控制力分配至對(duì)應(yīng)的大帶寬超高精度磁浮作動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了兩艙的穩(wěn)定控制。

首次實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星大功率、高可靠、高效無線能源傳輸

載荷艙和平臺(tái)艙處于非接觸狀態(tài)，傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)整星的能源分配?

中國(guó)航天科技集團(tuán)八院811所(以下簡(jiǎn)稱811所)研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多番論證與比對(duì)，提出了磁感應(yīng)耦合式無線能量傳輸技術(shù)，首次在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)大功率、高可靠、高效無線能源傳輸技術(shù)的應(yīng)用。

“從能量輸入到能量輸出，整個(gè)鏈路的綜合轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上，在磁場(chǎng)耦合部分，磁傳輸效率達(dá)95%以上，實(shí)現(xiàn)了高效低熱耗的能量傳輸。該技術(shù)的應(yīng)用，讓星上無線能源傳輸技術(shù)得到了充分的驗(yàn)證，并為其他型號(hào)無線能源傳輸技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。”811所“羲和號(hào)”無線傳輸子系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師張俊亭說。

根據(jù)衛(wèi)星在軌對(duì)能源不間斷的需求、衛(wèi)星工作狀態(tài)及軌道光照等特點(diǎn)，811所研制人員對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的“大腦”電源控制器也進(jìn)行了升級(jí)。

811所“羲和號(hào)”電源子系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師周成召說：“團(tuán)隊(duì)將原來分散的能量收集、儲(chǔ)存、控制與分配管理模式，升級(jí)為一體化的智能管理模式，解決了平臺(tái)艙和載荷艙聯(lián)合供電、分艙供電及太空中能源傳輸技術(shù)難題，在為載荷艙提供源源不斷能量的同時(shí)，大大提升了在軌故障的處置及應(yīng)變能力，為衛(wèi)星在軌壽命提供了保證。”

此外，衛(wèi)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(jìn)一步提升了艙間通信的效率和可靠性。(金鳳)

關(guān)鍵詞： 羲和追日 高科技 首拍 超精超穩(wěn) 能源傳輸