首次開展太陽Hα波段光譜成像空間探測

羲和號的全名是“太陽Hα光譜探測與雙超平臺科學技術(shù)試驗衛(wèi)星”，整星重量為510千克，運行于軌道高度為517千米的晨昏太陽同步軌道。

衛(wèi)星主要科學載荷為太陽空間望遠鏡，太陽Hα波段的光譜成像儀是羲和號觀測太陽的“金鑰匙”，它專門觀測光球?qū)雍蜕驅(qū)?，在國際上首次實現(xiàn)了全日面太陽Hα波段的光譜成像，獲得了有國際影響力的科學產(chǎn)出，將顯著提高我國在太陽物理領(lǐng)域的國際影響力。

什么是太陽Hα譜線？研究人員解釋，太陽Hα譜線是研究太陽活動在光球和色球響應(yīng)時最好的譜線之一，通過對該譜線的數(shù)據(jù)分析，可獲得太陽爆發(fā)時的大氣溫度、速度等物理量的變化，研究太陽爆發(fā)的動力學過程和物理機制。

“之前只能在地球上對太陽Hα譜線進行探測，受大氣干擾，探測數(shù)據(jù)不連續(xù)、不穩(wěn)定。現(xiàn)在通過太陽Hα波段光譜成像儀探測，對其進行高分辨率成像，46秒內(nèi)就能獲得全日面1 600萬個點上的光譜，在300余個波長點上同時獲得色球和光球的二維圖像，可以更加準確地獲得太陽爆發(fā)時大氣溫度、速度等物理量的變化，進而建立太陽爆發(fā)從光球到日冕的完整物理模型。這對太陽底層大氣和太陽爆發(fā)的觀測具有重要意義。”研究人員說。

另外，羲和號是在太空“看”太陽，不受地球大氣擾動和天氣影響，避免了以往地面觀測的局限性。目前，羲和號完成了所有在軌測試項目。測試結(jié)果表明，衛(wèi)星及相關(guān)系統(tǒng)各項性能指標均滿足工程研制建設(shè)總要求。從得到的初步觀測數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)質(zhì)量達到了預(yù)期指標。

當前國際太陽探測成為熱點，我國在太陽觀測領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量已居世界第二位，但是使用的數(shù)據(jù)均來自于國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)。羲和號的發(fā)射成功打破了這種被動局面。此外，我國計劃成立衛(wèi)星數(shù)據(jù)科學委員會，制定數(shù)據(jù)政策，供國內(nèi)外科學家研究、使用、共享衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，力爭產(chǎn)生原創(chuàng)性科學成果，為人類科學事業(yè)作出中國貢獻。

Hα波段下的全日面像

羲和號

首次采用“動靜隔離非接觸”總體設(shè)計新方法

以往傳統(tǒng)衛(wèi)星采用平臺艙和載荷艙固連的設(shè)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(nèi)太陽空間望遠鏡觀測質(zhì)量的下降。

羲和號的研制團隊在國際上首次采用了“動靜隔離非接觸”總體設(shè)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波段的光譜成像儀放置于載荷艙，并首次在軌應(yīng)用磁浮控制等技術(shù)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(huán)，也成為了羲和號載荷艙的“維穩(wěn)擔當”。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(yōu)化設(shè)計，成功實現(xiàn)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(qū)動電流精密控制，實現(xiàn)了超高精度驅(qū)動電流輸出?？刂凭容^傳統(tǒng)方式高出兩個數(shù)量級，確保了太陽空間望遠鏡等載荷可獲得超靜、超穩(wěn)的工作環(huán)境，極大拓展了太陽空間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”

研究人員為羲和號的太陽Hα波段的光譜成像儀設(shè)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(wèi)星姿態(tài)依次指向太陽圓盤的9個不同區(qū)域；有時需要控制衛(wèi)星姿態(tài)對太陽進行連續(xù)的擺掃觀測；有時需要對衛(wèi)星進行暗場定標，即控制衛(wèi)星姿態(tài)指向空間特定區(qū)域。

“平臺艙好比是飛機，控制分系統(tǒng)就是駕駛員，需要保證飛機穩(wěn)定運行在航線上，載荷則是乘客?！毖芯咳藛T打了個比方，盡管“乘客”很挑剔，但研制團隊通過5種不同的指向模式設(shè)計，及時響應(yīng)和切換，使平臺艙可以輕松應(yīng)對載荷的多種工作需求，保證對太陽的穩(wěn)定連續(xù)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(tài)。當兩艙鎖定時，對平臺艙的控制實際上就是對整星的控制。一旦兩艙解鎖，情況就大不相同了。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(fā)生碰撞。

如何實現(xiàn)兩艙協(xié)同控制？無數(shù)次的攻關(guān)、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(tài)和位置動力學耦合問題，實時、動態(tài)地將姿態(tài)控制力和位置控制力分配至對應(yīng)的大帶寬超高精度磁浮作動器，實現(xiàn)了兩艙的穩(wěn)定控制。

首次實現(xiàn)衛(wèi)星大功率、高可靠、高效無線能源傳輸

羲和號的載荷艙和平臺艙處于非接觸狀態(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？又該怎樣實現(xiàn)整星的能源分配？

研制團隊經(jīng)過多番論證與比對，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，整個鏈路的綜合轉(zhuǎn)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(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)得到了充分的驗證，并為其他型號無線能源傳輸技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

羲和號模擬圖

根據(jù)衛(wèi)星在軌對能源不間斷需求、衛(wèi)星工作狀態(tài)及軌道光照等特點，研制團隊對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的“大腦”電源控制器進行了升級。

研制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(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，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。并且，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，進一步提升了艙間通信的效率和可靠性。

此外，羲和號上還有一位“新面孔”——艙間高速激光通信單機。該設(shè)備由中國航天科技集團八院802所激光中心團隊研制，負責艙間數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，這也是國內(nèi)首個接入衛(wèi)星平臺的艙間無纜化激光數(shù)傳設(shè)備，按計劃將在軌工作3年。

中國航天科技集團八院電子所負責的綜合電子分系統(tǒng)平臺艙管理單元和載荷艙的14臺產(chǎn)品，為整星提供對地測控、數(shù)傳及星務(wù)管理等功能，也是羲和號上不可或缺的“黑科技”。