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

作為中國衛(wèi)星史上第一位太陽專屬的“攝像師”，“羲和號”開創(chuàng)了多個“首次”。近期，“羲和號”將獲得首批觀測數(shù)據(jù)。研究團隊將在對觀測數(shù)據(jù)進行科學(xué)標(biāo)定處理后，向國內(nèi)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(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，這標(biāo)志著我國正式步入“探日”時代。作為中國衛(wèi)星史上第一位太陽專屬的“攝像師”，“羲和號”開創(chuàng)了多個“首次”。

“羲和號”發(fā)射任務(wù)完成之后，南京大學(xué)研發(fā)團隊即刻與衛(wèi)星系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和地面系統(tǒng)團隊聯(lián)合開展“羲和號”的在軌測試工作，近期將獲得首批觀測數(shù)據(jù)，在進行科學(xué)標(biāo)定處理后，向國內(nèi)外公布。

首次開展

太陽Hα波段光譜成像空間探測

自上世紀(jì)60年代以來，世界各國已經(jīng)先后發(fā)射了70多顆太陽探測衛(wèi)星。例如，1990年發(fā)射、首次實現(xiàn)太陽極軌探測的“尤利西斯”號探測器;2018年發(fā)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(fā)射、計劃首次獲取太陽極區(qū)圖像并近距離探測太陽風(fēng)等離子體、高能粒子的“太陽軌道飛行器”等。

人類為何對太陽如此著迷?“羲和號”科學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師、南京大學(xué)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(xiàn)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(chǎn)生和演化、粒子的加速和傳播、天體爆發(fā)的物理機制等。其次，太陽爆發(fā)活動是災(zāi)害性空間天氣的源頭，觀測和研究太陽，對災(zāi)害性空間天氣的預(yù)警和預(yù)報有重大的應(yīng)用價值。”

那么，探測太陽的衛(wèi)星與探測月球、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，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(tǒng)，再通過相關(guān)熱控技術(shù)將望遠鏡系統(tǒng)控制在工作溫度范圍內(nèi);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(tǒng)內(nèi)的散射光降到最低。”

Hα是研究太陽活動在光球和色球響應(yīng)時最好的譜線之一，“羲和號”將在國際上首次實現(xiàn)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?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)于給太陽做了一個縱切面的分析。”李川說。

首次采用

“動靜隔離非接觸”總體設(shè)計新方法

中國航天科技集團八院相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，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)望遠鏡觀測質(zhì)量的下降。

此次“羲和號”衛(wèi)星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)行機構(gòu)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(dān)當(dāng)”。中國航天科技集團八院相關(guān)負(fù)責(zé)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(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，控制精度較傳統(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(wèi)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(shè)計了很多觀測方式，有時需要對太陽進行平場定標(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(biāo)，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。”中國航天科技集團八院控制所“羲和號”衛(wèi)星平臺艙控制分系統(tǒng)行政指揮林榮峰打了個比方，盡管“乘客”很挑剔，但研發(fā)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(dāng)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(wèi)星平臺艙控制分系統(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(xué)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

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?

中國航天科技集團八院811所(以下簡稱811所)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)。”811所“羲和號”無線傳輸子系統(tǒng)主任設(shè)計師張俊亭說。

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

811所“羲和號”電源子系統(tǒng)主任設(shè)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(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。”

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