中國大陸的“羲和”與“夸父”探日計劃

一、中國飛躍的太空發展增強了國際影響力及國家綜合實力 

     10月16日中國神州十三號太空船將三位太空人送上天宮太空站執行長達半年的駐留任務，讓中國的太空計畫更邁前一步，前途一片看好。中國的嫦娥計畫也已順利完成登月取樣任務，下一步準備與俄羅斯合建月球基地；天問一號也登陸火星開始探測，這一切說明中國的太空科技已與美國不相上下，正帶領人類拓展太空領域，這是整個中華民族的驕傲。太陽系只是整個宇宙的一丁點，人類若要移民外太空，先須征服太陽系，火星與地球一樣是環繞太陽的行星，月球是地球的衛星，這兩地的探測都已有進展，但是太陽系的中心太陽仍充滿了神秘須要去探索。10月14日，中國大陸在太原衛星發射中心採用長征二號丁運載火箭，成功發射了首顆太陽探測衛星“羲和號”，將實現國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測，填補太陽爆發源區高質量觀測數據的空白，提高中國在太陽物理領域研究能力。為什麼人類要探測太陽呢？因為太陽是地球人類文明最重要的環境影響因素，距地球約1.5億公里，壽命約100億年，目前正處於壯年期。太陽直徑達139萬公里，是地球的107倍，質量達2×10³⁰公斤，是地球的33萬倍。太陽為地球帶來了光明與能量，對地球演化和人類文明發展不可或缺。太陽會爆發產生大量帶電高能粒子，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環境影響最為顯著。太陽活動週期約11年，2021年至2022年是人類有記錄以來第25個太陽活動週期的開始，全世界又進入太陽研究新的高峰期。探測太陽可以降低對地球的不利影響。

     太陽是存在了約45.7億年之久的恆星，人類歷史相對於太陽歷史只是微不足道的一小段。氫佔太陽質量的70%以上。在太陽內部高溫（1000萬k以上）、高壓（約為2500億個大氣壓）的條件下，氫原子產生“熱核反應”生成氦原子核並釋出大量的能量。太陽分為內部的核反應區（0~0.25太陽半徑）、輻射區（0.25~0.86太陽半徑）和對流層（十幾萬千米）以及大氣層的光球、色球（約500千米）和日冕。太陽核心處溫度高達1500萬度，壓力相當於3000億個大氣壓，隨時都在進行著熱核反應。恆星大部分的生命期都在以核聚變產生能量的狀態，根據恆星演化歷程，我們可以推測出太陽的命運。太陽沒有足夠的質量爆發成為超新星，隨著太陽燒掉它的氫供給，它會變得更熱且更快地燒掉餘下的燃料，結果就是太陽每11億年就會更亮10%。在10億年的時間，隨著太陽的輻射輸出增強，它的適居帶就會外移，地球的表面會熱到液態的水無法在地球表面繼續存在。此時地面上所有的生命都將絕跡。從海平面而來的水蒸氣，一種強溫室氣體，可以加速溫度升高，可以潛在地更早地結束地球上的所有生命。這時候可能火星的表面溫度逐漸升高，凍結在表面土壤下的水和二氧化碳會被釋放到大氣裡，產生溫室效應暖化這顆行星直到它達到今天地球一樣的條件，提供一個未來的生命的居住場所，這就是為何各國熱衷於探測火星的原因。35億年後，地球的表面環境就會變得跟今天的金星類似。太陽黑子存在於太陽光球表面，是磁場的聚集之處，太陽耀斑是一種強烈的輻射爆炸，是太陽系中最激烈的局部區域的爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜。日冕物質拋射是太陽釋放能量的另一種形式，一次巨大的太陽爆發日冕物質拋射事件，可讓數十億噸的物質短時間內離開太陽，噴射到宇宙空間稱為太陽風。 

二、中國的探日計畫 

    中國在火星探測、月球探測方面已經取得相當大的成就，探日則剛起步，中國目前已經制定了兩個太陽探測計劃，分別是“羲和”和“夸父”探測計劃，“羲和”號是發射太陽Hα光譜探測與衛星實驗平台，實現中國首次太陽探測。羲和是中國上古神話中掌管時間和曆法的的太陽女神。“夸父”計劃是研製發射先進天基太陽天文台衛星，對太陽進行科學觀測。夸父源自《山海經》夸父追日的神話，這兩個計劃即將展開，“羲和”號衛星重量508公斤，設計壽命3年，運行於517公里高度、傾角98度的太陽同步軌道，該軌道將經過地球的南北極，能夠24小時連續的對太陽進行觀測。“夸父”計劃的天基太陽天文台衛星計劃明年發射，也是運行於太陽同步軌道，軌道高度約700公里。中國首次探測太陽的意義是實現太陽探測零的突破，“羲和”號衛星的主要科學儀器是Hα成像光譜儀。太陽Hα譜線是光子與氫原子相互作用後電子能級躍遷產生的譜線之一，是太陽爆發時響應最強的色球譜線，能夠直接反映爆發的源區特徵，在地球上觀測易受大氣乾擾。“羲和”號衛星開展的試驗是國際上第一次在太空進行Hα譜線研究，將提高中國在太陽物理領域的國際影響力。“羲和”號衛星平台採用非接觸磁浮作動器實現載荷艙與平台艙的動靜隔離，解決了傳統衛星載荷與平台固連設計導致的微振動難測、難控的技術瓶頸問題，與傳統衛星平台相比，“羲和”號衛星平台的指向精度、姿態穩定度均提高了2個數量級。“羲和”號是世界上首次將磁懸浮技術在航天器上進行工程應用，應用前景廣闊。 

       國際太陽探測發展變化很快，中國在太陽觀測領域發表論文的數量已居世界第二位，通過首次太陽探測計劃，可大量培養空間科學和空間技術的高端創新人才，通過對所獲數據的分析可提高空間科學國際競爭力。中國的探日計畫雖然起步晚，但在軌驗證新技術新產品多，試驗項目豐富，探測目標聚焦準確，研究起點高。“羲和”號衛星採用國際首創的雙超新技術衛星平台，實現了載荷在軌指向的超高精度和超高穩定度控制，比目前同等慣量的衛星平台提高了兩個數量級。“羲和”號於2019年6月正式立項，研製週期短，技術難度大，這次發射採用長征二號丁一箭十一星“拼車”發射方式，除將“羲和”號主星成功發射外，還將搭載另外10顆小衛 

三、“羲和”探日的黑科技 

      在上海召開的第九屆中國航天技術創新國際會議上，中國航天科技集團八院科技副主任陳杰介紹了衛星上的“黑科技”。“羲和號”衛星攜有太陽空間望遠鏡，首次實現空間太陽Hα波段的光譜成像探測。通過對該譜線的數據分析，可獲得太陽爆發時的大氣溫度、速度等物理量的變化，“羲和號”採用了全新構型。太陽空間望遠鏡被安裝在專門的載荷艙中，載荷艙與平台艙間採用了“動靜隔離非接觸”總體設計新方法，完全進行物理隔離，以阻斷平台艙微振動傳遞路徑。“羲和號”首次在軌應用磁浮控制，採用高精度、大帶寬、自身無干擾的“磁浮作動器”，作為載荷艙的執行機構，從而使載荷艙超高指向精度、超高穩定度控制的性能得以實現。羲和號”作為首個太陽專屬“攝像師”，載荷艙和平台艙處於非接觸狀態，傳統的供電方式無法滿足能源傳輸需求。研製團隊提出“磁感應耦合式”無線能量傳輸技術，首次在衛星上實現大功率、高可靠、高效無線能源傳輸技術的應用；首次將能源採集、能源儲存、能源控制管理及二次配電實現了智能化和一體化設計。從能量輸入到輸出，整個鏈路的綜合轉換效率達到80%以上；在磁場耦合部分，磁傳輸效率更是達到了95%以上，實現了高效低熱耗的能量傳輸。由於“羲和號”的載荷艙和平台艙之間完全隔離，也無法通過電纜傳輸能源和信息。為此，衛星採用激光通信和微波通信兩種“互為備份”的無線通信方式，在兩艙之間架起了5G高速通信通道。“羲和號”上還有一位“新面孔”艙間高速激光通信單機。這是中國首個接入衛星平台的艙間無纜化激光數傳設備，按計劃將在軌工作三年。“羲和號”將對太陽進行高分辨率的光譜成像，屆時會產生巨大的科學數據。激光通信子系統具備高速的激光傳輸接口，可以提高科學載荷數據傳輸速率，將星內數傳帶寬大大提高，為載荷的高清成像數據積累提供了有效保障。