科技日報記者 金鳳

3月17日下午，設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、觀測時間、探測器成像時的溫度等幾十個參數(shù)，“夸父一號”首席科學家助理、科學應用系統(tǒng)副總師黃宇輕點鼠標，生成當日的衛(wèi)星觀測計劃。

(資料圖)

這份計劃在經過衛(wèi)星載荷團隊和中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院團隊復核后，會傳遞到位于北京的中國科學院國家空間科學中心。在那里，這份計劃將被生成指令，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應用系統(tǒng)，是將“夸父一號”傳回的太陽觀測數(shù)據進行信息解碼、“翻譯”，使其成為可供科研人員使用的科學數(shù)據的衛(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，這些數(shù)據幾天就能夠“塞滿”一臺家用電腦的硬盤。

鮮為人知的是，獲得這些數(shù)據實屬不易。為了讓衛(wèi)星能夠在合適的時間、姿態(tài)和軌道位置精準地“凝視”太陽，中國科學院紫金山天文臺團隊歷時11年，反復驗證空間成像原理，編寫成像算法、迭代數(shù)據應用軟件。

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

瞄準第25個太陽活動周期

只有親歷過艱難，才能體會如今成果的來之不易。

“20世紀80年代初，我還在讀研，當時國內缺少觀測設備，我們只能借助國外的衛(wèi)星觀測數(shù)據寫論文，過程非常曲折?！薄翱涓敢惶枴笔紫茖W家、中國科學院紫金山天文臺研究員甘為群回憶道，那時計算機在我國還沒有普及，更沒有電子郵件。他只能致信外國科學家，請他們分享觀測數(shù)據并將打印好的相關資料郵寄到南京。

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，摸索著太陽演化的規(guī)律。

進入21世紀，我國空間科學研究迎來發(fā)展契機。2006年，中國科學院提出空間科學規(guī)劃，甘為群負責空間天文和太陽物理領域。2011年，中國科學院空間科學先導專項立項實施。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，太陽活動達到高峰，預計將是在2024年到2025年。那時太陽爆發(fā)現(xiàn)象也最頻繁，是最佳的研究時機。時不我待，我們不能錯過這個觀測時間窗口，否則又要等11年。”甘為群回憶道，在預研階段，觀測“一磁兩暴”的科學目標便被提出。

“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——耀斑和日冕物質拋射。

甘為群說：“對于‘一磁兩暴’，我國已有研究基礎，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新的臺階?！?/p>

聯(lián)合產業(yè)界協(xié)同攻關

從理論研究躍遷到衛(wèi)星研制，這支團隊首先要踏過經驗的“真空地帶”。

“20世紀60年代以來，世界各國已經先后發(fā)射了數(shù)十顆太陽探測相關衛(wèi)星。但在國內，我們完全沒有研制太陽衛(wèi)星的經驗?！备蕿槿罕硎?，項目從預研階段開始，便組織全國相關力量進行可行性論證，梳理項目所需的關鍵核心技術。

在進入正式的研制階段后，全國多個團隊開始齊頭并進、聯(lián)袂攻關。

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

為了實現(xiàn)“一磁兩暴”的科學目標，“夸父一號”帶上了三個“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鏡（LST）。

甘為群率領的中國科學院紫金山天文臺團隊除了負責衛(wèi)星的科學總體工作，還具體負責HXI的研制工作。

除了傳統(tǒng)的主任設計師崗位外，甘為群還為衛(wèi)星工程團隊另設了兩個重要崗位：載荷科學家和載荷數(shù)據科學家。載荷科學家負責提出科學指標，并確保工程研制不偏離科學需求；而載荷數(shù)據科學家主要負責處理和利用衛(wèi)星回傳的數(shù)據。

即便前期準備充分，但起步的艱難還是超出了想象。

“HXI如何在太空實現(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?！备蕿槿阂约庸づe例，HXI光柵狹縫的最細處，其寬度不到20微米，相當于頭發(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”號暗物質粒子探測衛(wèi)星工程研制中深入參與載荷綜合測試工作的高級工程師張哲，被任命為HXI載荷的主任設計師。

張哲和團隊用兩年多的時間奔波于蘇州、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，并對其進行測試驗證，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試驗。

為國際天文研究作出中國貢獻

HXI對成像精度的要求很高，而衛(wèi)星運輸、發(fā)射時出現(xiàn)的震動和溫度變化都可能影響HXI準直器的穩(wěn)定性，進而導致探測出現(xiàn)偏差，影響成像質量。

為了解HXI準直器的工作狀態(tài)，HXI團隊的前期方案是在準直器后基板上安裝一個“小相機”——形變鏡，同時對準直器前基板的4個毛玻璃和太陽拍照。

太陽照到毛玻璃上，形成的光斑就可以在“相機”中成像。幾個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。

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

“夸父一號”首席科學家助理、HXI載荷數(shù)據科學家蘇楊和張哲帶領的硬件研制團隊經過詳細考慮，提出了指向鏡零位定標方案。

“去掉一個毛玻璃，增加一個特殊設計的‘相機’——太陽鏡，單獨對太陽拍照。通過對兩個‘相機’的數(shù)據進行聯(lián)合解算，可排除形變鏡自身變化帶來的干擾?！碧K楊說，借助這個方案，HXI在獲得真實形變數(shù)據的同時，還將太陽中心的定位精度提高了5倍，達到優(yōu)于0.3角秒的成像精度要求。

除了HXI，中國科學院紫金山天文臺團隊還肩負著研制科學應用系統(tǒng)的重任。

蘇楊和張哲在帶領團隊研發(fā)HXI，黃宇則忙著研發(fā)觀測計劃制定軟件。最初，他從書籍、文獻里學習界面編程，代碼寫了一年多，但后來他發(fā)現(xiàn)觀測模式復雜，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)星載荷到科學應用的經驗，以后再遇到空間探測的工程項目，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，成功進入預定軌道。

看著團隊里越來越多的年輕面孔，甘為群感嘆道：“我們當年搞研究，沒有探測器、一手數(shù)據，也難以積累探測器的研發(fā)經驗，只能就著現(xiàn)成的數(shù)據寫論文。但現(xiàn)在不同了，科研人員年輕時就能參與衛(wèi)星的設計和觀測儀器制造工作，知道天文數(shù)據是如何產生、收集的，這為他們產出更多原創(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?！?/p>

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