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“羲和”追日 这些高科技将让它的“首拍”超精超稳

2021-10-19 10:52:37 | 来源: 科技日报 | 责编: 郑思雯
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【中首图】“羲和”追日 这些高科技将让它的“首拍”超精超稳

  “羲和号”太阳探测科学技术试验卫星 雷春鸣摄

  作为中国卫星史上第一位太阳专属的“摄像师”,“羲和号”开创了多个“首次”。近期,“羲和号”将获得首批观测数据。研究团队将在对观测数据进行科学标定处理后,向国内外公布。

  效法羲和驭天马,志在长空牧群星。“羲和”是上古神话中的太阳女神与制定时历的女神。10月14日,以“羲和”命名的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,这标志着我国正式步入“探日”时代。作为中国卫星史上第一位太阳专属的“摄像师”,“羲和号”开创了多个“首次”。

  “羲和号”发射任务完成之后,南京大学研发团队即刻与卫星系统、测控系统和地面系统团队联合开展“羲和号”的在轨测试工作,近期将获得首批观测数据,在进行科学标定处理后,向国内外公布。

  首次开展

  太阳Hα波段光谱成像空间探测

  自上世纪60年代以来,世界各国已经先后发射了70多颗太阳探测卫星。例如,1990年发射、首次实现太阳极轨探测的“尤利西斯”号探测器;2018年发射、首次对太阳进行最近距离(9个太阳半径)抵近探测的“帕克”探测器;2020年发射、计划首次获取太阳极区图像并近距离探测太阳风等离子体、高能粒子的“太阳轨道飞行器”等。

  人类为何对太阳如此着迷?“羲和号”科学与应用系统总设计师、南京大学副教授李川告诉科技日报记者:“太阳是距离地球最近的恒星,是唯一可以实现高时空分辨率观测的恒星。它是我们了解宇宙的一个窗口,通过对它的观测和研究,可以了解一些基本的天体物理过程,比如磁场的产生和演化、粒子的加速和传播、天体爆发的物理机制等。其次,太阳爆发活动是灾害性空间天气的源头,观测和研究太阳,对灾害性空间天气的预警和预报有重大的应用价值。”

  那么,探测太阳的卫星与探测月球、火星的卫星又有何不同呢?李川介绍:“由于太阳的辐射非常强,在地球轨道处的辐射强度为每平方米1.36千瓦,因此‘羲和号’上的太阳空间望远镜首先需要考虑的是温度控制,要通过滤光镜仅让所需要的波段进入望远镜系统,再通过相关热控技术将望远镜系统控制在工作温度范围内;另外,还需要重点考虑杂散光抑制,通过涂层、光阑等方式将系统内的散射光降到最低。”

  Hα是研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一,“羲和号”将在国际上首次实现对太阳Hα波段光谱成像的空间探测。“Hα线翼反映了太阳光球层信息,而线心则反映了色球层信息。一条谱线的光谱成像可获得光球和色球不同层次的信息,相当于给太阳做了一个纵切面的分析。”李川说。

  首次采用

  “动静隔离非接触”总体设计新方法

  中国航天科技集团八院相关负责人介绍,传统卫星采用平台舱和载荷舱固连的设计方法,因此平台舱活动部件的振动不可避免地会传递至载荷舱,造成载荷舱内望远镜观测质量的下降。

  此次“羲和号”卫星研制团队在国际上首次采用了“动静隔离非接触”总体设计新方法,将飞轮、太阳帆板等微振动源集中于平台舱,将太阳Hα光谱仪放置于载荷舱,并首次在轨应用磁浮控制技术和执行机构将平台舱与载荷舱进行物理隔离。

  “磁浮作动器”是磁浮控制重要的一环,也成为了“羲和号”载荷舱的“维稳担当”。中国航天科技集团八院相关负责人介绍,为了让磁浮作动器拥有高精度、大带宽、自身无干扰等能力,团队采用闭合磁路优化设计,成功实现了磁场高均匀性,达到了大带宽隔离平台舱挠性与微振动干扰的效果;通过低噪声、低纹波、高精度功放驱动电流精密控制,实现了超高精度驱动电流输出,控制精度较传统方式高出两个数量级,确保了太阳空间望远镜等载荷可获得超静、超稳的工作环境,极大拓展了望远镜等载荷的探测能力和适用范围。

  首次提出

  “载荷舱主动控制、平台舱从动控制”

  作为中国卫星史上第一位太阳专属“摄像师”,研究人员为“羲和号”的太阳Hα光谱仪设计了很多观测方式,有时需要对太阳进行平场定标,即需要控制卫星姿态依次指向太阳圆盘的9个不同区域;有时需要控制卫星姿态对太阳进行连续的摆扫观测;有时需要对卫星进行暗场定标,即控制卫星姿态指向空间特定区域。

  “平台舱好比是飞机,控制分系统就是驾驶员,需要保证飞机稳定运行在航线上,载荷则是乘客。”中国航天科技集团八院控制所“羲和号”卫星平台舱控制分系统行政指挥林荣峰打了个比方,尽管“乘客”很挑剔,但研发团队通过5种不同的指向模式设计,及时响应和切换,使平台舱可以轻松应对载荷的多种工作需求,保证对太阳的稳定连续观测。

  此外,“羲和号”的载荷舱和平台舱具备锁定和解锁两种状态。“当两舱锁定时,对平台舱的控制实际上就是对整星的控制。但一旦两舱解锁,情况就大不相同了。”中国航天科技集团八院控制所“羲和号”卫星平台舱控制分系统技术负责人聂章海说,“载荷舱与平台舱存在相对运动,平台舱必须实时跟踪载荷舱,但两舱间隙只有5毫米,平台舱在跟踪载荷舱运动时还要注意绝对不能让两舱之间发生碰撞。”

  如何实现两舱协同控制?无数次的攻关、测试后,“羲和号”在国际上首次提出了“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”的新方法,解决了两舱姿态和位置动力学耦合问题,实时、动态地将姿态控制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。

  首次实现

  卫星大功率、高可靠、高效无线能源传输

  载荷舱和平台舱处于非接触状态,传统的供电方式无法满足能源传输需求。如何解决载荷舱的能源获取问题?又该怎样实现整星的能源分配?

  中国航天科技集团八院811所(以下简称811所)研制团队经过多番论证与比对,提出了磁感应耦合式无线能量传输技术,首次在卫星上实现大功率、高可靠、高效无线能源传输技术的应用。

  “从能量输入到能量输出,整个链路的综合转换效率达到80%以上,在磁场耦合部分,磁传输效率达95%以上,实现了高效低热耗的能量传输。该技术的应用,让星上无线能源传输技术得到了充分的验证,并为其他型号无线能源传输技术的应用奠定了基础。”811所“羲和号”无线传输子系统主任设计师张俊亭说。

  根据卫星在轨对能源不间断的需求、卫星工作状态及轨道光照等特点,811所研制人员对卫星电源系统的“大脑”电源控制器也进行了升级。

  811所“羲和号”电源子系统主任设计师周成召说:“团队将原来分散的能量收集、储存、控制与分配管理模式,升级为一体化的智能管理模式,解决了平台舱和载荷舱联合供电、分舱供电及太空中能源传输技术难题,在为载荷舱提供源源不断能量的同时,大大提升了在轨故障的处置及应变能力,为卫星在轨寿命提供了保证。”

  此外,卫星采用激光通信和微波通信两种“互为备份”的无线通信方式,在两舱之间架起5G高速通信通道,进一步提升了舱间通信的效率和可靠性。(金 凤)

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