【今日消息-專家解讀“夸父一號”衛(wèi)星：為何研制？如何“逐日”？】
中新網(wǎng)北京10月9日電 (記者 孫自法)中國古代與“嫦娥奔月”齊名的“夸父逐日”神話故事，如今也在神州天地間成為現(xiàn)實(shí)。10月9日，在“嫦娥一號”先行“奔月”即將迎來15周年之際，中國綜合性太陽探測衛(wèi)星“夸父一號”(先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)，英文簡稱ASO-S)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，正式開啟了“逐日”的征程。
中國為什么要研制綜合性太陽探測衛(wèi)星？衛(wèi)星載荷有何特色優(yōu)勢？“夸父一號”科學(xué)目標(biāo)有哪些？如何實(shí)施“逐日”探測？……在發(fā)射前夕，“夸父一號”衛(wèi)星首席科學(xué)家、衛(wèi)星系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師等對這些問題進(jìn)行科普解讀。
開啟中國綜合性太陽觀測新時(shí)代
“夸父一號”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺(tái)甘為群研究員介紹說，中國空間太陽探測的嘗試最早在20世紀(jì)70年代中期，1976年曾提出主要觀測太陽的“天文一號”衛(wèi)星；在2001年發(fā)射神舟二號飛船上搭載的空間天文(主要觀測太陽)分系統(tǒng)取得成功；期間還提出“空間太陽望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃”；2004年提出中法合作“太陽爆發(fā)探測小衛(wèi)星計(jì)劃”，以及日地三星計(jì)劃；2011年中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)(一期)正式啟動(dòng)，先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)剛好是為響應(yīng)專項(xiàng)而提出的衛(wèi)星計(jì)劃。現(xiàn)在回顧起來，中國之前雖有一系列太陽探測衛(wèi)星計(jì)劃的提出和嘗試，但均未走到最后，太陽探測專門衛(wèi)星基本為零，先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)衛(wèi)星計(jì)劃填補(bǔ)了這一空白。
這顆衛(wèi)星計(jì)劃提出來的時(shí)候，國際上已有70多顆太陽探測專用衛(wèi)星或相關(guān)衛(wèi)星，中國在太陽物理地面設(shè)施和包括發(fā)表學(xué)術(shù)論文的研究方面已位居世界前列，為什么還要自主研制太陽探測專門衛(wèi)星？甘為群指出，中國科學(xué)家發(fā)表研究論文所用的絕大部分觀測數(shù)據(jù)，都是來自國際上太陽衛(wèi)星共享的資料、軟件、數(shù)據(jù)?！白鳛橐粋€(gè)科研工作者，作為中國的太陽物理學(xué)家，你覺得你是世界領(lǐng)先的嗎？正是在這樣的背景下，我們一定要發(fā)射自己的(太陽探測)科學(xué)衛(wèi)星”。從這個(gè)角度來講，提出研制發(fā)射“夸父一號”衛(wèi)星計(jì)劃，就是強(qiáng)調(diào)中國要在國際上對太陽物理研究數(shù)據(jù)源頭作出重要貢獻(xiàn)。
他說，先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)先后經(jīng)歷預(yù)先研究、背景型號、綜合立項(xiàng)論證等程序，于2017年底獲得工程立項(xiàng)批復(fù)，又經(jīng)過5年的工程研制，突破諸多關(guān)鍵技術(shù)并克服疫情等重重困難，現(xiàn)在終于成功發(fā)射升空，“所以我們把先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(即“夸父一號”衛(wèi)星)，定義為開啟了中國綜合性太陽觀測的新時(shí)代”。作為中國的綜合性太陽探測專用衛(wèi)星，“夸父一號”將實(shí)現(xiàn)中國太陽衛(wèi)星探測跨越式突破。
“一磁兩暴”將創(chuàng)新三個(gè)國際首次
甘為群表示，“夸父一號”衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)可概括為“一磁兩暴”，“一磁”就是太陽磁場，“兩暴”就是太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射。太陽物理學(xué)家就是要研究這三者之間的關(guān)系，即磁場與耀斑、磁場與日冕物質(zhì)拋射、日冕物質(zhì)拋射與耀斑的關(guān)系，研究它們的形成、演化、相互作用和可能存在的因果關(guān)聯(lián)，同時(shí)為空間天氣預(yù)警提供支持。
為實(shí)現(xiàn)“一磁兩暴”的科學(xué)目標(biāo)，“夸父一號”衛(wèi)星上搭載有全日面矢量磁像儀(FMG)、萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡(LST)和硬X射線成像儀(HXI)3個(gè)各具特色的有效載荷，分別觀測太陽磁場、日冕物質(zhì)拋射和太陽耀斑。
“夸父一號”衛(wèi)星有哪些創(chuàng)新？甘為群總結(jié)為“三個(gè)首次”：一是國際上首次以“一磁兩暴”作為衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)并且配置相應(yīng)的載荷組合；二是國際上首次在一顆近地衛(wèi)星平臺(tái)上，對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像、日冕物質(zhì)拋射的日面形成和近日面?zhèn)鞑ネ瑫r(shí)進(jìn)行觀測；三是國際上首次在萊曼阿爾法譜線波段實(shí)現(xiàn)全日面和近日冕無縫同時(shí)成像觀測。
“夸父一號”衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院諸成研究員指出，該衛(wèi)星要高精度觀測太陽，3臺(tái)有效載荷在國內(nèi)均為首次上天，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少，新技術(shù)、新部件、新材料多，而且要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)比較多、比較復(fù)雜，衛(wèi)星研制通過突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，主要解決了三方面難點(diǎn)：
第一，星載7臺(tái)光學(xué)設(shè)備，同時(shí)精確指向太陽，確保每臺(tái)光學(xué)設(shè)備對太陽完整成像，所以各光學(xué)設(shè)備光軸之間的一致性要求非常高，這就需要高精度裝配達(dá)到這些光軸的一致。第二，衛(wèi)星要經(jīng)歷發(fā)射過程的力學(xué)振動(dòng)和沖擊環(huán)境、太空中冷熱交替變化環(huán)境、超高真空環(huán)境，要保持星上各光學(xué)設(shè)備光軸之間變化極小，確保衛(wèi)星壽命期內(nèi)各光學(xué)設(shè)備觀測對象完整性。第三，采用對星上活動(dòng)部件振動(dòng)降低技術(shù)和穩(wěn)像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)防抖，獲取清晰的觀測圖像。
衛(wèi)星數(shù)據(jù)面向全球?qū)崟r(shí)免費(fèi)開放
諸成介紹說，“夸父一號”衛(wèi)星重量約859公斤，其軌道設(shè)計(jì)選取高720公里、傾角98.27度、周期99分鐘的晨昏太陽同步軌道，這個(gè)軌道全年只有約3個(gè)月存在較短地影，其他時(shí)間是全日照，可以連續(xù)長時(shí)間不間斷進(jìn)行太陽觀測。同時(shí)，該軌道設(shè)計(jì)還可為硬X射線成像儀載荷提供粒子背景比較低的良好環(huán)境，并且大氣密度比較低，有利于降低散射雜光對萊曼阿爾法望遠(yuǎn)鏡載荷的干擾。
甘為群表示，預(yù)期“夸父一號”衛(wèi)星發(fā)射后，經(jīng)過一段時(shí)間的在軌測試，正式進(jìn)入工作模式交付用戶后，每天可觀測到大概500GB的數(shù)據(jù)量，通過地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)處理后向全球開放，數(shù)據(jù)共享，供科學(xué)家進(jìn)行太陽物理學(xué)研究。
“夸父一號”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中科院紫金山天文臺(tái)黎輝研究員強(qiáng)調(diào)，“夸父一號”衛(wèi)星整個(gè)數(shù)據(jù)是完全開放的政策，在衛(wèi)星在軌測試完成、數(shù)據(jù)正常生產(chǎn)之后，會(huì)及時(shí)對全世界相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者，包括太陽物理、空間環(huán)境、空間物理、空間天氣等領(lǐng)域，實(shí)時(shí)免費(fèi)開放。他說，這樣的數(shù)據(jù)共享政策也是基于國際慣例，中國太陽物理學(xué)家一直以來都在享受國際開放的數(shù)據(jù)政策，“我們第一顆綜合性太陽觀測衛(wèi)星成功之后，也要對世界做出承諾，我們的數(shù)據(jù)也是完全開放的”。
“夸父一號”科研團(tuán)隊(duì)科普稱，太陽活動(dòng)呈周期性變化，周期平均為11年，太陽黑子是太陽活動(dòng)的重要標(biāo)志。在一個(gè)活動(dòng)周期開始后，黑子數(shù)量逐漸增多，太陽活動(dòng)加劇，太陽黑子數(shù)量達(dá)到最多的年份，稱為太陽活動(dòng)峰年。太陽活動(dòng)第25周峰年預(yù)期在2024到2025年左右。“夸父一號”衛(wèi)星計(jì)劃以太陽活動(dòng)第25周峰年作為契機(jī)，將詳細(xì)記錄第25個(gè)太陽活動(dòng)周的“太陽風(fēng)暴”。屆時(shí)，通過“夸父一號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球開放共享，圍繞其觀測結(jié)果的研究有望成為國際熱點(diǎn)，科學(xué)家在研究太陽活動(dòng)規(guī)律的同時(shí)，也會(huì)及時(shí)預(yù)報(bào)太陽爆發(fā)對人類的影響，以造福全人類。
中美太陽探測衛(wèi)星是互補(bǔ)關(guān)系
中國最新成功發(fā)射的“夸父一號”太陽探測衛(wèi)星，與美國2018年發(fā)射的“帕克號”太陽探測衛(wèi)星，以及中國2021年發(fā)射的太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號”，這三者之間有何關(guān)聯(lián)與區(qū)別？甘為群對此回應(yīng)指出，“夸父一號”和“帕克號”科學(xué)目標(biāo)不一樣，兩者是互補(bǔ)關(guān)系；“羲和號”是一顆科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，而“夸父一號”則是專門為太陽觀測研制的空間科學(xué)衛(wèi)星。
他說，“帕克號”是美國主導(dǎo)的、歷史上是第一次飛到太陽附近進(jìn)行觀測的衛(wèi)星，其軌道是個(gè)大的橢圓，最近的近日點(diǎn)可以達(dá)到10個(gè)太陽半徑左右，這意味著它受到太陽的熱非常強(qiáng)，不可能面對太陽來進(jìn)行觀測，只能在前面加上厚厚的防熱罩，所以這顆非常先進(jìn)的衛(wèi)星只能探測到太陽附近粒子、磁場這些環(huán)境，不能直接“看”太陽。而“夸父一號”衛(wèi)星是直接“看”太陽，通過遙測遙感手段觀測太陽，對太陽進(jìn)行成像。“帕克號”的科學(xué)目標(biāo)主要是針對太陽風(fēng)和太陽周圍環(huán)境，“夸父一號”科學(xué)目標(biāo)是“一磁兩暴”，直接“看”太陽，所以兩顆衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)不一樣，它們完全是互補(bǔ)關(guān)系。
中國“羲和號”衛(wèi)星于2019年6月立項(xiàng)，是一顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，主要是從技術(shù)上驗(yàn)證一種名為“雙超”的衛(wèi)星平臺(tái)，旨在通過高精度指向和指向的穩(wěn)定度這兩個(gè)指標(biāo)做一個(gè)試驗(yàn)?！棒撕吞枴贝钶d的望遠(yuǎn)鏡是氫阿爾法(Hα)波段，其在地面上也可以觀測，但是放在太空中有非常大的好處，它可以連續(xù)對太陽進(jìn)行觀測，還可以克服地球大氣抖動(dòng)等等帶來的一系列問題，可在短時(shí)間內(nèi)光譜掃描全日面，在掃描的波長范圍里每一個(gè)光譜點(diǎn)都可以進(jìn)行成像，從而對太陽整個(gè)色球大氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行非常好的“診斷”，開展相關(guān)研究。
甘為群表示，“夸父一號”衛(wèi)星不僅在“一磁兩暴”科學(xué)目標(biāo)、有效載荷觀測波段、觀測對象等方面與“羲和號”衛(wèi)星完全不一樣，而且“夸父一號”是專門為太陽觀測而提出、完全以科學(xué)目標(biāo)為牽引的空間科學(xué)衛(wèi)星，期待實(shí)現(xiàn)中國天基太陽探測衛(wèi)星跨越式突破。
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