為什麼要“探日”
為什麼要“探日”
10月14日，我國首顆太陽探測科學技術試驗衞星在太原衞星發射中心成功發射，對我國空間科學探測及衞星技術發展具有重要意義，標誌着我國正式進入“探日”時代。記者就此採訪了國家航天局對地觀測與數據中心主任、高分辨率對地觀測重大專項工程總設計師趙堅。
記者：探測太陽的意義是什麼？
趙堅：
太陽是地球人類文明和經濟社會發展最重要的環境影響因素，是萬物生長的源泉。太陽是太陽系中最大的天體，距離地球約1.5億公里，是離地球最近、與人類關係最密切的恆星。大約在46億年前，太陽在距離銀河系中心約2.6萬光年處，由星雲在自身引力作用下坍塌凝聚而形成。太陽壽命大致為100億年，目前正處於壯年期。太陽直徑達139萬公里，是地球的109倍，質量達2000億億億噸，是地球的33萬倍，佔整個太陽系總質量的99.87%。太陽是一顆時時刻刻發生氫、氦核聚變，發光發熱的巨大恆星，為我們的地球帶來了光明與能量。
太陽對地球演化和人類文明發展的作用是不可或缺的。同時，太陽對地球的影響也是無處不在，主要體現在太陽爆發產生大量帶電高能粒子，對地球電磁環境造成嚴重破壞，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峯期。探測和研究太陽活動、提出應對措施，可以降低或規避對地球的不利影響。我國作為航天大國，及時開展太陽探測活動，十分必要，不能缺席。
記者：人類目前對太陽探測的進展如何？
趙堅：
自古以來，人類對太陽充滿了好奇，通過各種方式對其進行了觀測和研究。20世紀60年代以來，隨着航天技術的快速發展，全世界已發射了70多顆太陽觀測衞星，主要集中在美國、俄羅斯等國家，主要聚焦太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。
太陽黑子存在於太陽光球表面，是磁場的聚集之處，太陽黑子的數量和位置每隔一段時間會發生週期性的變化。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。
近期典型的太陽探測器，如2006年10月美國發射的世界第一對孿生太陽觀測衞星——日地關係觀測平台，對太陽黑子爆發進行了三維成像，幫助科學家們研究太陽周邊環境以及太陽活動對整個太陽系造成的影響；2009年1月，俄羅斯發射了“科羅納斯”太陽探測衞星，探測太陽內部結構及太陽活動對地球氣候、大氣層及生物圈的影響；2018年美國“帕克”太陽探測器發射升空，近距離對太陽結構進行探測，獲得了相當的成果。當前世界主要趨勢是對太陽結構、磁場、黑子、耀斑、太陽大氣等進行綜合觀測和抵近觀測。
記者：我國太陽探測的計劃是什麼？
趙堅：
中國目前已經制定了兩個太陽探測計劃。它們分別是“羲和”和“夸父”探測計劃，這是太陽探測的中國方案和中國貢獻。“羲和號”是發射太陽Hα光譜探測與超高指向精度、超高穩定度衞星平台試驗的科學技術試驗衞星，實現我國太陽探測破冰之旅。羲和是中國上古神話中的太陽女神，是掌管時間和曆法的太陽神，並以太陽母親的形象為人們所認知。“夸父”計劃是研製發射先進天基太陽天文台衞星，對太陽進行科學觀測，已納入中國科學院先導計劃。夸父源自《山海經》中的夸父追日，廣為人們所熟知。這兩個計劃經過多年的準備，終於拉開序幕，“羲和號”衞星設計壽命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小時連續地對太陽進行觀測。“夸父”計劃天基太陽天文台衞星計劃明年發射，也是運行於太陽同步軌道，軌道高度約700公里。
此外，我國正在論證後續太陽探測發展計劃，科學家們希望按照在黃道面內多視角探測、大傾角太陽極區探測和太陽抵近觀測“三步走”實施，由易到難，逐步深入，進一步瞭解太陽的構造，確定太陽活動的三維結構，掌握機理和活動規律，預報空間天氣，造福人類，趨利避害。
記者：我國首次探日有哪些意義？
趙堅：一是實現我國太陽探測零的突破，標誌着我國正式步入“探日”時代。
“羲和號”衞星的主要科學載荷為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，其線心位於可見光波段，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。此前，只能在地球上進行探測，因受大氣干擾，探測數據不連續不穩定，現在通過“羲和號”探測太陽Hα譜線，對其進行高分辨率成像，在46秒內獲得全日面1600萬個點上的光譜，在300餘個波長點上同時獲得色球和光球的二維圖像，可以更加準確地獲得太陽爆發時大氣温度、速度等物理量的變化，進而建立太陽爆發從光球到日冕的能量積累、釋放、傳輸的完整物理模型，對研究太陽爆發的動力學過程及物理機制提供關鍵依據，對太陽底層大氣和太陽爆發的觀測具有重要意義。“羲和號”衞星在軌開展的相關試驗，是國際上第一次在太空進行Hα譜線研究，有望獲得有國際影響力的科學產出，將顯著提高我國在太陽物理領域的國際影響力。
二是在軌試驗超高指向精度、超高穩定度的新型衞星平台技術，推動我國高精度衞星平台技術革命性、跨越性發展。
隨着我國航天產業的不斷發展，對地觀測、空間科學探測等各類航天任務對高性能衞星平台的需求越來越迫切，尤其亟須發展具有超高指向精度、超高穩定度指標的衞星平台。“羲和號”衞星平台從總體設計理念上打破傳統固連設計思想，採用非接觸磁浮作動器實現載荷艙與平台艙的動靜隔離，通過主從協同設計，實現載荷艙超精超穩及兩艙協同控制，解決了傳統衞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，與傳統衞星平台相比，“羲和號”衞星平台的指向精度、姿態穩定度均提高了兩個數量級。同時，“羲和號”衞星還將在軌驗證無線能源傳輸、艙間無線通信、艙間激光通信、重複連接釋放、艙間電纜脱落與收納、原子鑑頻太陽導航儀等多項新技術和新產品。“羲和號”高性能技術衞星平台在軌試驗成功後，是世界上首次將磁懸浮技術在航天器上進行工程應用，將大幅提升我國空間觀測技術水平，有望在將來的對地觀測、空間科學探測等新一代航天任務中得到廣泛應用，應用前景廣闊。
三是開拓我國太陽探測國際合作和交流的新局面，大幅提高我國在太陽物理領域研究的國際地位。
國際太陽探測發展變化很快，我國在太陽觀測領域發表論文數量已居世界第二位，但是使用的數據均來自國外衞星數據。該衞星發射成功後，將打破我國在此領域的被動局面，我國將成立衞星數據科學委員會，制定數據政策，供國內外科學家研究、使用、共享衞星探測數據，力爭產生原創性科學成果，為人類科學事業作出中國貢獻。
四是激發探索空間科學的熱情，培養創新高端人才。
通過首次太陽探測計劃，可大量培養我國在空間科學和空間技術的高端創新人才，並通過對所獲數據的分析，與世界其他國家開展太陽探測數據共享、結合和互補，更好地開展太陽活動機理研究，探索太陽系起源及演變規律及對地球大氣及生物圈的影響，提高我國空間科學國際競爭力。與此同時，進一步提高人民羣眾的科學素養，激發青少年探索空間科學的熱情。
記者：此次探測任務有哪些特點？
趙堅：一是起步晚，起點高。
“十三五”期間，國家航天局組織中國航天科技集團、南京大學、中國科學院等單位，緊密圍繞國家航天發展規劃，瞄準我國航天發展急需的創新技術驗證和空間科學前沿研究需求，制定了空間科學研究發展路線圖，提出了“太陽Hα波段光譜成像探測+超高指向精度、超高穩定度衞星平台技術飛行驗證”的任務目標。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。
二是緊緊圍繞太陽探測熱點問題，提出中國特色太陽探測模式。
“羲和號”衞星採用國際首創的雙超新技術衞星平台，實現了載荷在軌指向的超高精度和超高穩定度控制，比目前同等慣量的衞星平台提高了兩個數量級。國際上首次提出了天文光譜測速導航新方法和新技術，通過太陽光譜的研究和利用實現每秒1米量級的飛行器高精度速度測量。這兩項技術都具有國際先進水平。
三是組織國內優勢單位大力協同，攻堅克難。
“羲和號”於2019年6月正式立項，研製週期短，技術難度大，國家航天局組織中國科學院、中國航天科技集團、南京大學等優勢單位，充分發揮政府機構、科研院所、高等院校、工程研製單位作用，克服了研究時間短、經費少、研製難度大的不利因素，團結合作、羣策全力，高效高質完成了研製發射任務。
本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，還將亞太空間合作組織2顆大學生小衞星、和德宇航公司2顆衞星、低軌導航增強試驗衞星、軌道大氣密度探測衞星、氣象星座試驗衞星、空間交通試驗衞星等10顆搭載小衞星發射入軌。