河内分分-“羲和号”奔日,少不了这些国产黑科技!

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“羲和号”奔日,少不了这些国产黑科技!
发布日期:2022-04-21 19:39    点击次数:196

出品|网易文创

导语:太阳——万物的生长之源,是太阳系的家长,也是太阳系最重要的成员,对于地球演化和人类文明的发展具有极其重要的意义。现在地球所形成的一切环境都与太阳有关系,可以说没有太阳就没有我们。

然而,我们对于太阳的研究仍然停留在表面,2021年至2022年是人类有记录以来第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。伴随着第一颗探日卫星“羲和号”的成功发射,我国正式步入探日时代。那么,大家对于“羲和号”有着多少了解?茫茫宇宙中这一颗小小的探日卫星又包含了哪些国产黑科技呢?

“羲和号”成功发射 图源:环球时报

“探日”的卫星,有何不同?

“羲和号”的全称是太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星,卫星总体质量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,该轨道能够经过地球的南北极,可实现24小时连续对太阳进行观测。卫星在轨运行期间,将观测太阳耀斑和日冕物质抛射的光球及色球表现,探究太阳爆发的源区动态特性和触发机制,同时探测太阳暗条形成和演化过程的色球表现,揭示其与太阳爆发的内在联系。还将获取全日面Hα波段多普勒速度分布,研究太阳低层大气动力学过程,为解决“太阳爆发由里及表能量传输全过程物理模型”等科学问题提供重要支撑。

可能大家会问什么是Hα谱线?为什么要探测Hα谱线?Hα谱线在天文学和物理学上是氢的一条具体可见的红色发射谱线。太阳光谱中的Hα波段谱是太阳爆发时响应最强的色球谱线,能直接反映爆发的源区特征。通过对Hα光谱数据的分析,可以从光球层到色球层获取太阳低层大气的信息,从而推演太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化,研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。我们知道太阳剧烈活动会导致其磁场发生变化进而对地球磁场和卫星产生影响,最终对我们生活中的许多领域产生影响,“羲和号”接续被送上天后,我国将可以自主掌控相对精准的空间天气预报,不受他人掣肘。

太阳探测科学技术试验卫星“羲和号” 图源:国家航天局

“探日”究竟难在哪?

一是如何应对冷热快速转换。如果要问探日为什么这么难,大家可以想见的最大难点就是百万摄氏度的高温环境。事实上,虽然太阳的高温将是整个探测器面临最大的考验,但发射后的几分钟将决定它能否前往太阳,探测器要穿过冰冷的太空,极短时间内完成从冷到热的过渡,很多冷却剂都不能在温度跨度如此之大的情况下正常工作。

二是如何克服引力。地球围绕太阳转动的速度是30km/s,一个航天器想要接近太阳,必须减速,这个过程将耗费大量能量。而航天器携带的燃料越多,有效载荷就越少,那么就很难完成更多科学使命。所以这个任务设计非常复杂,探测器需要借助金星逐渐减速后再接近太阳。例如,美国的帕克太阳探测器发射升空后不会立即飞往太阳而是驶向金星的方向,以便通过金星的引力作用改变探测器的飞行速度和方向。在约7年的飞行时间里,它将7次掠过金星,以借此逐渐缩短围绕太阳旋转的轨道半径。

“羲和奔日” 图源:百度

三是如何保持地卫通信。探测器在轨运行期间,由于与地球距离太远,其发出的信号需要8分钟才能抵达地球,此时,如果地面科学家发现卫星存在问题再做纠正为时已晚。所以,科学家们又在故障管理系统上进行了创新——在与地球长时间无法联系期间保护航天器。在隔热罩内侧边缘装有几个传感器,若它们检测到了光,说明探测器位置不正确,科学仪器就有可能暴露在高温处。此时系统会接收到传感器发出的警报,探测器会自动调整位置,以确保仪器的安全。

国产黑科技助力“羲和号”成功奔日

国际首创的超高指向精度、超高稳定度的“双超”卫星平台。传统卫星采用平台舱和载荷舱固连的设计导致平台舱活动部件振动不可避免会传递至载荷,造成观测质量下降。针对这一问题,研究团队在国际上首次采用“动静隔离非接触”总体设计,将平台舱与载荷舱物理隔离,并将飞轮、太阳帆板等微振动源集中于平台舱、太阳Hα光谱仪放置于载荷舱,采用磁浮控制技术和执行机构实现两者物理非接触隔离,从而阻断平台舱微振动的传递路径,同时解决平台舱热变形对载荷舱影响,使载荷控制精度和稳定度提升两个数量级以上。

为解决载荷舱和平台舱协同控制问题,研究团队在国际上首次提出“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”的主从协同控制解耦新方法,解决两舱姿态和位置动力学耦合问题,实时、动态地将姿控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,实现两舱的稳定控制。

“双超”卫星平台 图源:中国新闻网

空间激光通信。“羲和号”特殊的双舱分离结构对数据传输有着很高的要求,因为太阳光不同于其他观测数据,其强度非常强,产生的数据量非常大,尤其当处于太阳爆发的峰值点时,长时间观测的数据量会非常庞大,如何快速传输、存储数据是成为一大技术难点。为解决这一难题,我国激光中心团队成功研制出舱间高速激光通信单机,将不间断地负责舱间的数据传输任务。激光通信子系统具备高速激光传输接口,可以大幅提升科学载荷数据传输速率,将星内数传带宽大大提高。激光通信在舱间传输距离短,但是偏转角度大,载荷舱、平台舱不需要对得很直就可以实现数据传输。同时,单机有10个不同的接口,可以满足平台各种传输速度的特殊要求,将数据快速处理,更流畅地实现面对面快传。激光单机需要在轨长时间开机,采用空间抗辐照、抗单粒子等设计,能够有效提高可靠性及工作寿命。

无线能源传输。“羲和号”载荷舱和平台舱完全的物理隔离方式会导致荷载舱能源供应问题的出现以及整星的能源分配问题。针对这一问题,相关研究团队提出“磁感应耦合式”无线能量传输技术,由于太阳帆板与蓄电池提供的均为直流电,在开展载荷舱和平台舱的无线能源传输过程中,需经历一番从直流到交流到磁场,再从磁场到交流到直流的转换过程,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;首次将能源采集、能源储存、能源控制管理及二次配电实现了智能化和一体化设计。从能量输入到输出,整个链路的综合转换效率达到80%以上;在磁场耦合部分,磁传输效率更是达到了95%以上,实现了高效低热耗的能量传输。

感应耦合式无线电能传输系统部分原理图 图源:https://www.jianshu.com/p/26a0e8b14bc1

结语:

“羲和号”将实现国际首次太阳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有重要意义。同时,“羲和号”高性能技术卫星平台在轨试验成功后,将大幅提升我国空间观测技术水平。未来,“双超”平台技术还将在高分辨率对地详查、大比例尺立体测绘、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中推广应用,推动我国空间科学领域、航天技术领域跨越式发展。让我们一起送上最美好的祝愿!

参考资料:

[1]张建松. “羲和”探日!细数我国首颗探日卫星“黑科技”[N]. 新华每日电讯,2021-10-15(005).

[2]张未,刘庆丰,付毅飞,崔爽. “羲和号”发射成功!中国正式步入“探日”时代[N]. 科技日报,2021-10-15(003).

[3]任长胜.“羲和号”开启我国探日之旅[J].发明与创新(高中生),2021(12):50-53.

[4]探日:中国来了![J].今日科技,2021(11):38-40.

[5]崔兴毅,黄帆. 这颗探日卫星有哪些不同[N]. 光明日报,2021-10-15(008).

[6]冯华. “羲和号”来了![N].人民日报,2021-10-15(006).

[7]http://www.njdaily.cn/2018/0814/1718173.shtml.



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