科技日報(bào)記者 金鳳

3月17日下午，設(shè)定好我國綜合性太陽探測專用衛(wèi)星“夸父一號”各載荷的觀測模式、觀測時(shí)間、探測器成像時(shí)的溫度等幾十個(gè)參數(shù)，“夸父一號”首席科學(xué)家助理、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師黃宇輕點(diǎn)鼠標(biāo)，生成當(dāng)日的衛(wèi)星觀測計(jì)劃。

(資料圖)

這份計(jì)劃在經(jīng)過衛(wèi)星載荷團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院團(tuán)隊(duì)復(fù)核后，會傳遞到位于北京的中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心。在那里，這份計(jì)劃將被生成指令，成為“夸父一號”最新的工作日程。

這套為“夸父一號”定制工作日程的流程，從2022年10月9日“夸父一號”開啟太陽探測之旅開始，一直持續(xù)至今。

黃宇參與研制的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，是將“夸父一號”傳回的太陽觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行信息解碼、“翻譯”，使其成為可供科研人員使用的科學(xué)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星工程系統(tǒng)。現(xiàn)在，“夸父一號”每天回傳約500GB（吉字節(jié)）的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)幾天就能夠“塞滿”一臺家用電腦的硬盤。

鮮為人知的是，獲得這些數(shù)據(jù)實(shí)屬不易。為了讓衛(wèi)星能夠在合適的時(shí)間、姿態(tài)和軌道位置精準(zhǔn)地“凝視”太陽，中國科學(xué)院紫金山天文臺團(tuán)隊(duì)歷時(shí)11年，反復(fù)驗(yàn)證空間成像原理，編寫成像算法、迭代數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件。

2023年1月，在兩院院士投票評選的2022年度中國十大科技進(jìn)展新聞中，“‘夸父一號’發(fā)射成功并發(fā)布首批科學(xué)圖像”入選。

瞄準(zhǔn)第25個(gè)太陽活動周期

只有親歷過艱難，才能體會如今成果的來之不易。

“20世紀(jì)80年代初，我還在讀研，當(dāng)時(shí)國內(nèi)缺少觀測設(shè)備，我們只能借助國外的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)寫論文，過程非常曲折。”“夸父一號”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員甘為群回憶道，那時(shí)計(jì)算機(jī)在我國還沒有普及，更沒有電子郵件。他只能致信外國科學(xué)家，請他們分享觀測數(shù)據(jù)并將打印好的相關(guān)資料郵寄到南京。

甘為群將這些跨越千山萬水的資料視若珍寶，他拿著尺子，提取數(shù)據(jù)，摸索著太陽演化的規(guī)律。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國空間科學(xué)研究迎來發(fā)展契機(jī)。2006年，中國科學(xué)院提出空間科學(xué)規(guī)劃，甘為群負(fù)責(zé)空間天文和太陽物理領(lǐng)域。2011年，中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)立項(xiàng)實(shí)施。研制一顆屬于中國人的綜合性太陽探測衛(wèi)星，漸漸成為可能。

“太陽活動周期為11年，第25個(gè)太陽活動周始于2020年下半年，將持續(xù)到2031年左右。在這一周期中，太陽活動達(dá)到高峰，預(yù)計(jì)將是在2024年到2025年。那時(shí)太陽爆發(fā)現(xiàn)象也最頻繁，是最佳的研究時(shí)機(jī)。時(shí)不我待，我們不能錯(cuò)過這個(gè)觀測時(shí)間窗口，否則又要等11年。”甘為群回憶道，在預(yù)研階段，觀測“一磁兩暴”的科學(xué)目標(biāo)便被提出。

“一磁兩暴”是指太陽磁場和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。

甘為群說：“對于‘一磁兩暴’，我國已有研究基礎(chǔ)，一旦衛(wèi)星投入使用，我國的太陽物理工作者就可以從衛(wèi)星探測到的信息中，獲取豐富的研究資料，這有助于我國太陽物理研究邁上一個(gè)新的臺階。”

聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界協(xié)同攻關(guān)

從理論研究躍遷到衛(wèi)星研制，這支團(tuán)隊(duì)首先要踏過經(jīng)驗(yàn)的“真空地帶”。

“20世紀(jì)60年代以來，世界各國已經(jīng)先后發(fā)射了數(shù)十顆太陽探測相關(guān)衛(wèi)星。但在國內(nèi)，我們完全沒有研制太陽衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)。”甘為群表示，項(xiàng)目從預(yù)研階段開始，便組織全國相關(guān)力量進(jìn)行可行性論證，梳理項(xiàng)目所需的關(guān)鍵核心技術(shù)。

在進(jìn)入正式的研制階段后，全國多個(gè)團(tuán)隊(duì)開始齊頭并進(jìn)、聯(lián)袂攻關(guān)。

“夸父一號”衛(wèi)星工程由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)工程大總體和地面支撐系統(tǒng)的研制建設(shè)，由中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)院國家天文臺、中國科學(xué)院紫金山天文臺和中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分別負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺及三臺有效載荷的研制工作，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由中國科學(xué)院紫金山天文臺負(fù)責(zé)研制，測控系統(tǒng)由中國西安衛(wèi)星測控中心負(fù)責(zé)研制，運(yùn)載火箭由中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院研制生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)“一磁兩暴”的科學(xué)目標(biāo)，“夸父一號”帶上了三個(gè)“幫手”（載荷）——全日面矢量磁像儀（FMG）、太陽硬X射線成像儀（HXI）和萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡（LST）。

甘為群率領(lǐng)的中國科學(xué)院紫金山天文臺團(tuán)隊(duì)除了負(fù)責(zé)衛(wèi)星的科學(xué)總體工作，還具體負(fù)責(zé)HXI的研制工作。

除了傳統(tǒng)的主任設(shè)計(jì)師崗位外，甘為群還為衛(wèi)星工程團(tuán)隊(duì)另設(shè)了兩個(gè)重要崗位：載荷科學(xué)家和載荷數(shù)據(jù)科學(xué)家。載荷科學(xué)家負(fù)責(zé)提出科學(xué)指標(biāo)，并確保工程研制不偏離科學(xué)需求；而載荷數(shù)據(jù)科學(xué)家主要負(fù)責(zé)處理和利用衛(wèi)星回傳的數(shù)據(jù)。

即便前期準(zhǔn)備充分，但起步的艱難還是超出了想象。

“HXI如何在太空實(shí)現(xiàn)成像，什么樣的加工工藝適合制造它……這些我們心里不是很有底。”甘為群以加工舉例，HXI光柵狹縫的最細(xì)處，其寬度不到20微米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的十分之一，這對加工工藝的精密度要求極高。

曾在“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程研制中深入?yún)⑴c載荷綜合測試工作的高級工程師張哲，被任命為HXI載荷的主任設(shè)計(jì)師。

張哲和團(tuán)隊(duì)用兩年多的時(shí)間奔波于蘇州、西安、上海、北京等地的工廠，與企業(yè)一起磨合、尋找出最佳的加工工藝，并對其進(jìn)行測試驗(yàn)證，最終在2020年底將約2000片望向太陽的“小眼睛”——光柵加工并裝配完成。而后，他們又窩在山東省煙臺市一處荒僻的車間，起早貪黑地調(diào)試光源、搭建X射線束流測試平臺。2021年10月，他們完成了國際首次太陽硬X射線成像儀的全尺寸束流定標(biāo)試驗(yàn)。

為國際天文研究作出中國貢獻(xiàn)

HXI對成像精度的要求很高，而衛(wèi)星運(yùn)輸、發(fā)射時(shí)出現(xiàn)的震動和溫度變化都可能影響HXI準(zhǔn)直器的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致探測出現(xiàn)偏差，影響成像質(zhì)量。

為了解HXI準(zhǔn)直器的工作狀態(tài)，HXI團(tuán)隊(duì)的前期方案是在準(zhǔn)直器后基板上安裝一個(gè)“小相機(jī)”——形變鏡，同時(shí)對準(zhǔn)直器前基板的4個(gè)毛玻璃和太陽拍照。

太陽照到毛玻璃上，形成的光斑就可以在“相機(jī)”中成像。幾個(gè)光斑的位置如有變化，就意味著前后基板發(fā)生了相對形變。而拍攝太陽，則可以知道太陽中心的位置，知道HXI指向哪里。

但初步的試驗(yàn)結(jié)果表明，要想達(dá)到HXI所要求的成像精度，就必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，繼續(xù)減少震動或溫度變化對該成像儀的影響。

“夸父一號”首席科學(xué)家助理、HXI載荷數(shù)據(jù)科學(xué)家蘇楊和張哲帶領(lǐng)的硬件研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過詳細(xì)考慮，提出了指向鏡零位定標(biāo)方案。

“去掉一個(gè)毛玻璃，增加一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的‘相機(jī)’——太陽鏡，單獨(dú)對太陽拍照。通過對兩個(gè)‘相機(jī)’的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，可排除形變鏡自身變化帶來的干擾。”蘇楊說，借助這個(gè)方案，HXI在獲得真實(shí)形變數(shù)據(jù)的同時(shí)，還將太陽中心的定位精度提高了5倍，達(dá)到優(yōu)于0.3角秒的成像精度要求。

除了HXI，中國科學(xué)院紫金山天文臺團(tuán)隊(duì)還肩負(fù)著研制科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的重任。

蘇楊和張哲在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)HXI，黃宇則忙著研發(fā)觀測計(jì)劃制定軟件。最初，他從書籍、文獻(xiàn)里學(xué)習(xí)界面編程，代碼寫了一年多，但后來他發(fā)現(xiàn)觀測模式復(fù)雜，需要植入更多的功能，于是推倒重來，又寫了一年多才日臻成形。

“以前我們對衛(wèi)星的研制并不了解，通過11年的摸索，我們積累了從研制衛(wèi)星載荷到科學(xué)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，以后再遇到空間探測的工程項(xiàng)目，就游刃有余了。”黃宇說。

同心協(xié)力、眾志成城。2022年10月9日，“夸父一號”發(fā)射成功，成功進(jìn)入預(yù)定軌道。

看著團(tuán)隊(duì)里越來越多的年輕面孔，甘為群感嘆道：“我們當(dāng)年搞研究，沒有探測器、一手?jǐn)?shù)據(jù)，也難以積累探測器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，只能就著現(xiàn)成的數(shù)據(jù)寫論文。但現(xiàn)在不同了，科研人員年輕時(shí)就能參與衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和觀測儀器制造工作，知道天文數(shù)據(jù)是如何產(chǎn)生、收集的，這為他們產(chǎn)出更多原創(chuàng)性成果提供了可能。希望我們能取得更多的創(chuàng)新性成果，為國際天文研究作出中國貢獻(xiàn)。”

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