我国首颗探日卫星羲和号成功发射:两大探日计划首次公开!

翡翠 2021-10-14 阅读:35
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10月14日18时51分,我国在太原卫星发射中心采用长征二号丁运载火箭,成功发射我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”。

它将在国际上首次实现太阳Hα波段光谱成像的空间探测,填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白,提高我国在太阳物理领域研究能力,对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。

【为什么要探测太阳?】

太阳目前正处于壮年期(寿命约100亿年),是一颗时时刻刻发生氢、氦核聚变、发光发热的巨大恒星,为我们蓝色地球带来了光明与能量,是地球万物生长的源泉。

太阳对地球演化和人类文明发展的作用是不可或缺的,同时太阳对地球的影响也是无所不在,主要体现在太阳爆发产生大量带电高能粒子,对地球电磁环境造成严重破坏,其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。

太阳活动周期约11年,2021-2022年是人类有记录以来的第25个太阳活动周期的开始,全世界又进入太阳研究新的高峰期。

探测和研究太阳活动,提出应对措施,可以降低或规避对地球的不利影响。

我国作为航天大国,及时开展太阳探测活动,十分必要,不能缺席。

【人类太阳探测概况】

20世纪60年代以来,全世界已发射了70多颗太阳观测卫星,主要来自、、日本等发达国家,聚焦太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射的观测研究。

日冕物质抛射从太阳喷发,来源NASA

太阳动力学天文台在131埃光下拍摄的太阳,来源NASA/GSFC/SDO

太阳黑子存在于太阳光球表面,是磁场的聚集之处,其数量和位置每隔一段时间会发生周期性的变化。

太阳耀斑是一种强烈的辐射爆炸,是太阳系中最激烈的局部区域的爆炸事件,它所辐射出的光的波长横跨整个电磁波谱。

日冕物质抛射是太阳释放能量的另一种形式,一次巨大的太阳爆发日冕物质抛射事件,可让数十亿吨的物质短时间内离开太阳,喷射到宇宙空间。

近期典型的太阳探测器,如2006年10月美国发射的世界第一对孪生太阳观测卫星——日地关系观测平台,对太阳黑子爆发时进行了三维成像,帮助科学家们研究太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响;

2009年1月,俄罗斯发射了“科罗纳斯”太阳探测卫星,探测太阳内部结构及太阳活动对地球气候、大气层及生物圈的影响;

2018年美国“帕克”太阳探测器发射升空,近距离对太阳结构进行探测,获得了相当的成果。

当前世界主要趋势是对太阳结构、磁场、黑子、耀斑、太阳大气等进行综合观测和抵近观测。

【中国的太阳探测计划】

我国在火星探测、月球探测方面已经取得举世瞩目的成就。“天问一号”首次火星探测任务圆满实现了对火星的绕、落、巡,“嫦娥五号”月球探测器成功实现了月球样品的采样返回。

现在,我国的太阳探测计划已经拉开帷幕,揭开其神秘的面纱。

中国目前制定了两个太阳探测计划,分别是“羲和”和“夸父”探测计划。

“羲和”号是发射太阳Hα光谱探测与超高指向精度、超高稳定度卫星平台试验的科学技术试验卫星,实现我国太阳探测破冰之旅。

羲和是中国上古神话中的太阳女神,是掌管时间和历法的太阳神,并以太阳母亲的形象为人们所认知。

此名取义“效法羲和驭天马,志在长空牧群星”,象征中国对太阳探索的缘起与拓展。

“夸父”计划是研制发射先进天基太阳天文台卫星,对太阳进行科学观测,已纳入中国科学院先导计划。

夸父源自《山海经》,夸父追日,最后化身为夸父山的传说广为人们所熟知。

“羲和”号卫星重量508公斤,设计寿命3年,运行于517公里高度、倾角98度的太阳同步轨道,将经过地球的南北极,能够24小时连续的对太阳进行观测。

“夸父”计划天基太阳天文台卫星计划明年发射,也是运行于太阳同步轨道,轨道高度约700公里。

此外,我国正在论证后续太阳探测发展计划。

科学家们希望按照在黄道面内多视角探测(首选地日拉格郎日L5点)、大倾角太阳极区探测和太阳抵近观测“三步走”进行实施,由易到难,逐步深入,进一步了解太阳的构造,确定太阳活动的三维结构,掌握机理和活动规律,预报空间天气,造福人类,趋利避害。

【我国首次探测太阳的重大意义】

一是实现我国太阳探测零的突破,标志着我国正式步入“探日”时代。

“羲和”号卫星的主要科学载荷是Hα成像光谱仪。

太阳Hα谱线是光子与氢原子相互作用后电子能级跃迁产生的谱线之一,其线心位于可见光波段,波长为6562.85埃米(1埃米等于百亿分之一米),是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能够直接反映爆发的源区特征。

此前,太阳Hα谱线只能在地球上进行探测,但因受大气干扰,探测数据不连续不稳定。

现在通过“羲和”号探测,对其进行高分辨率成像,在46秒内获得全日面1600万个点上的光谱,在300余个波长点上同时获得色球和光球的二维图像,可以更加准确的获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化,进而建立太阳爆发从光球到日冕的能量积累、释放、传输的完整物理模型,对研究太阳爆发的动力学过程及物理机制提供关键依据,对太阳底层大气和太阳爆发的观测具有重要意义。

“羲和”号卫星在轨开展的相关试验,是国际上第一次在太空进行Hα谱线研究,有望获得有国际影响力的科学产出,将显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。

二是在轨试验超高指向精度、超高稳定度的新型卫星平台技术,推动我国高精度卫星平台技术革命性、跨越性发展。

“羲和”号卫星平台从总体设计理念上打破传统固连设计思想,采用非接触磁浮作动器,实现载荷舱与平台舱的动静隔离,通过主从协同设计,实现载荷舱超精超稳及两舱协同控制,解决了传统卫星载荷与平台固连设计导致的微振动难测、难控的技术瓶颈问题。

与传统卫星平台相比,“羲和”号卫星平台的指向精度、姿态稳定度均提高了2个数量级。

同时,“羲和”号卫星还将在轨验证无线能源传输、舱间指向精度、姿态稳定度均提高了2个数量级。无线通信、舱间激光通信、重复连接释放、舱间电缆脱落与收纳、原子鉴频太阳导航仪等多项新技术和新产品。

“羲和”号高性能技术卫星平台在轨试验成功后,是世界上首次将磁悬浮技术在航天器上进行工程应用,将大幅提升我国空间观测技术水平,有望在将来的对地观测、空间科学探测等新一代航天任务中得到广泛应用,应用前景广阔。

三是开拓我国太阳探测国际合作和交流的新局面,大幅提高我国在太阳物理领域研究的国际地位。

国际太阳探测发展变化很快,我国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位,但是使用的数据均来自于国外卫星数据。

“羲和”号卫星发射成功后,将打破我国在此领域的被动局面,我国将成立卫星数据科学委员会,制定数据政策,供国内外科学家研究、使用、共享卫星探测数据,力争产生原创性科学成果,为人类科学事业做出中国贡献。

四是激发探索空间科学的热情,培养创新高端人才。

通过首次太阳探测计划,可大量培养我国在空间科学和空间技术的高端创新人才,通过对所获数据的分析,并与世界其他国家开展太阳探测数据共享、结合和互补,更好地开展太阳活动机理研究,探索太阳系起源及演变规律,及对地球大气及生物圈的影响,提高我国空间科学国际竞争力。与此同时,进一步提高人民群众的科学素养,激发青少年探索空间科学的热情。

【本次任务的特点】

一是起步晚,起点高。

“十三五”期间,国家航天局组织中国(,)集团、南京大学、中国科学院等单位,紧密围绕国家(,)规划,瞄准我国航天发展急需的创新技术验证和空间科学前沿研究需求,制定了空间科学研究发展路线图,提出了“太阳Hα波段光谱成像探测+超高指向精度、超高稳定度卫星平台技术飞行验证”的任务目标。

虽然起步晚,但在轨验证新技术新产品多,试验项目丰富,探测目标聚焦准确,研究起点高。

二是紧紧围绕太阳探测热点问题,提出中国特色太阳探测模式。

“羲和”号卫星采用国际首创的双超新技术卫星平台,实现了载荷在轨指向的超高精度和超高稳定度控制,比目前同等惯量的卫星平台提高了两个数量级。

国际上首次提出了天文光谱测速导航新方法和新技术,通过太阳光谱的研究和利用实现每秒1米量级的飞行器高精度速度测量。

这两项技术都具有国际先进水平。

三是组织国内优势单位大力协同,攻坚克难。

“羲和”号于2019年6月正式立项,研制周期短,技术难度大,国家航天局组织中国科学院、航天科技集团、南京大学等优势单位,充分发挥政府机构、科研院所、高等院校、工程研制单位作用,克服了研究时间短、经费少、研制难度大的不利因素,团结合作、群策全力,高效高质完成了研制发射任务。

最后值得一提的是,此次任务是长征系列运载火箭第391次发射,采用长征二号丁一箭十一星“拼车”方式,除了将“羲和”号主星成功发射外,还将亚太空间合作组织2颗大学生小卫星、和德宇航公司2颗卫星、低轨导航增强试验卫星、轨道大气密度探测卫星、气象星座试验卫星、空间交通试验卫星等10颗搭载小卫星发射入轨。

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