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。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”(先進天基太陽天文臺,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”科學目標有哪些?如何實施“逐日”探測?……在發(fā)射前夕,“夸父一號”衛(wèi)星首席科學家、衛(wèi)星系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)總設計師等對這些問題進行科普解讀。
開啟中國綜合性太陽觀測新時代
“夸父一號”衛(wèi)星首席科學家、中科院紫金山天文臺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“空間太陽望遠鏡計劃”;2004年提出中法合作“太陽爆發(fā)探測小衛(wèi)星計劃”,以及日地三星計劃;2011年中科院空間科學先導專項(一期)正式啟動,先進天基太陽天文臺剛好是為響應專項而提出的衛(wèi)星計劃。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,先進天基太陽天文臺衛(wèi)星計劃填補了這一空白。
這顆衛(wèi)星計劃提出來的時候,國際上已有70多顆太陽探測專用衛(wèi)星或相關衛(wèi)星,中國在太陽物理地面設施和包括發(fā)表學術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€科研工作者,作為中國的太陽物理學家,你覺得你是世界領先的嗎?正是在這樣的背景下,我們一定要發(fā)射自己的(太陽探測)科學衛(wèi)星”。從這個角度來講,提出研制發(fā)射“夸父一號”衛(wèi)星計劃,就是強調(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。
他說,先進天基太陽天文臺先后經(jīng)歷預先研究、背景型號、綜合立項論證等程序,于2017年底獲得工程立項批復,又經(jīng)過5年的工程研制,突破諸多關鍵技術并克服疫情等重重困難,現(xiàn)在終于成功發(fā)射升空,“所以我們把先進天基太陽天文臺(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代”。作為中國的綜合性太陽探測專用衛(wèi)星,“夸父一號”將實現(xiàn)中國太陽衛(wèi)星探測跨越式突破。
“一磁兩暴”將創(chuàng)新三個國際首次
甘為群表示,“夸父一號”衛(wèi)星的科學目標可概括為“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。太陽物理學家就是要研究這三者之間的關系,即磁場與耀斑、磁場與日冕物質(zhì)拋射、日冕物質(zhì)拋射與耀斑的關系,研究它們的形成、演化、相互作用和可能存在的因果關聯(lián),同時為空間天氣預警提供支持。
為實現(xiàn)“一磁兩暴”的科學目標,“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鏡(LST)和硬X射線成像儀(HXI)3個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?甘為群總結為“三個首次”:一是國際上首次以“一磁兩暴”作為衛(wèi)星的科學目標并且配置相應的載荷組合;二是國際上首次在一顆近地衛(wèi)星平臺上,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進行觀測;三是國際上首次在萊曼阿爾法譜線波段實現(xiàn)全日面和近日冕無縫同時成像觀測。
“夸父一號”衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師、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臺有效載荷在國內(nèi)均為首次上天,可借鑒的經(jīng)驗少,新技術、新部件、新材料多,而且要實現(xiàn)的任務比較多、比較復雜,衛(wèi)星研制通過突破一系列關鍵技術,主要解決了三方面難點:
第一,星載7臺光學設備,同時精確指向太陽,確保每臺光學設備對太陽完整成像,所以各光學設備光軸之間的一致性要求非常高,這就需要高精度裝配達到這些光軸的一致。第二,衛(wèi)星要經(jīng)歷發(fā)射過程的力學振動和沖擊環(huán)境、太空中冷熱交替變化環(huán)境、超高真空環(huán)境,要保持星上各光學設備光軸之間變化極小,確保衛(wèi)星壽命期內(nèi)各光學設備觀測對象完整性。第三,采用對星上活動部件振動降低技術和穩(wěn)像技術,實現(xiàn)光學防抖,獲取清晰的觀測圖像。
衛(wèi)星數(shù)據(jù)面向全球?qū)崟r免費開放
諸成介紹說,“夸父一號”衛(wèi)星重量約859公斤,其軌道設計選取高720公里、傾角98.27度、周期99分鐘的晨昏太陽同步軌道,這個軌道全年只有約3個月存在較短地影,其他時間是全日照,可以連續(xù)長時間不間斷進行太陽觀測。同時,該軌道設計還可為硬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鏡載荷的干擾。
甘為群表示,預期“夸父一號”衛(wèi)星發(fā)射后,經(jīng)過一段時間的在軌測試,正式進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)和科學應用系統(tǒng)處理后向全球開放,數(shù)據(jù)共享,供科學家進行太陽物理學研究。
“夸父一號”衛(wèi)星科學應用系統(tǒng)總設計師、中科院紫金山天文臺黎輝研究員強調(diào),“夸父一號”衛(wèi)星整個數(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,會及時對全世界相關領域的科研工作者,包括太陽物理、空間環(huán)境、空間物理、空間天氣等領域,實時免費開放。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”科研團隊科普稱,太陽活動呈周期性變化,周期平均為11年,太陽黑子是太陽活動的重要標志。在一個活動周期開始后,黑子數(shù)量逐漸增多,太陽活動加劇,太陽黑子數(shù)量達到最多的年份,稱為太陽活動峰年。太陽活動第25周峰年預期在2024到2025年左右?!翱涓敢惶枴毙l(wèi)星計劃以太陽活動第25周峰年作為契機,將詳細記錄第25個太陽活動周的“太陽風暴”。屆時,通過“夸父一號”衛(wèi)星數(shù)據(jù)全球開放共享,圍繞其觀測結果的研究有望成為國際熱點,科學家在研究太陽活動規(guī)律的同時,也會及時預報太陽爆發(fā)對人類的影響,以造福全人類。
中美太陽探測衛(wèi)星是互補關系
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)射的太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星“羲和號”,這三者之間有何關聯(lián)與區(qū)別?甘為群對此回應指出,“夸父一號”和“帕克號”科學目標不一樣,兩者是互補關系;“羲和號”是一顆科學試驗衛(wèi)星,而“夸父一號”則是專門為太陽觀測研制的空間科學衛(wèi)星。
他說,“帕克號”是美國主導的、歷史上是第一次飛到太陽附近進行觀測的衛(wèi)星,其軌道是個大的橢圓,最近的近日點可以達到10個太陽半徑左右,這意味著它受到太陽的熱非常強,不可能面對太陽來進行觀測,只能在前面加上厚厚的防熱罩,所以這顆非常先進的衛(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,對太陽進行成像?!芭量颂枴钡目茖W目標主要是針對太陽風和太陽周圍環(huán)境,“夸父一號”科學目標是“一磁兩暴”,直接“看”太陽,所以兩顆衛(wèi)星科學目標不一樣,它們完全是互補關系。
中國“羲和號”衛(wèi)星于2019年6月立項,是一顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星,主要是從技術上驗證一種名為“雙超”的衛(wèi)星平臺,旨在通過高精度指向和指向的穩(wěn)定度這兩個指標做一個試驗?!棒撕吞枴贝钶d的望遠鏡是氫阿爾法(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)對太陽進行觀測,還可以克服地球大氣抖動等等帶來的一系列問題,可在短時間內(nèi)光譜掃描全日面,在掃描的波長范圍里每一個光譜點都可以進行成像,從而對太陽整個色球大氣動力學進行非常好的“診斷”,開展相關研究。
甘為群表示,“夸父一號”衛(wèi)星不僅在“一磁兩暴”科學目標、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、完全以科學目標為牽引的空間科學衛(wèi)星,期待實現(xiàn)中國天基太陽探測衛(wèi)星跨越式突破。(完)
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