從“神舟”飛天、“嫦娥”奔月，到“天問”探火，中國人探索宇宙奧秘的腳步從未停止。2021年10月14日，我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”成功發射，我們在宇宙探索的進程中又向前邁進了一步。運行一年以來，“羲和號”取得了一系列重要科研成果。這些科研成果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。

文｜本刊記者 莊蕾

全球首次空間太陽Ha光譜成像探測

突破超高指向超高穩定性衛星平台技術

“羲和號”自成功發射以來便備受關注，作為我國首顆探日衛星，“羲和號”承擔了哪些具體任務？高分專項總設計師兼副總指揮、國家航天局對地觀測與數據中心主任趙堅告訴記者，“羲和號”的具體任務是實現太陽探測的科學目標和新型衛星平台功能性能在軌驗證的工程目標。

趙堅具体介紹道，“羲和號”的科學目標是在國際上首次開展空間太陽Ha光譜成像探測，觀測太陽耀斑和日冕物質拋射的光球及色球表現、太陽暗條演化規律以及獲取全日面Ha波段多普勒速度分布，為建立太陽爆發能量傳輸模型提供有力支撐。“羲和號”的工程目的是在軌驗證新型衛星平台超高指向精度、超高穩定度性能值，同時在軌開展艙間激光通信、無線能源傳輸等國產新技術、新產品飛行試驗。

趙堅表示，國家航天局組織中國科學院、航天科技集團、南京大學等單位，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、群策全力，高質量完成了研製發射和在軌測試及試驗任務。

為完成“探日”的任務，“羲和號”實現了哪些技術創新與突破？趙堅說，“羲和號”在軌驗證了新型衛星平台功能和性能，突破了超高指向、超高穩定性衛星平台技術，大幅提升了我國空間觀測技術水平。

趙堅稱，隨著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衛星平台的需求越來越迫切，尤其亟需發展具有超高指向精度、超高穩定度指標的衛星平台。“羲和號”衛星平台從總體設計理念上打破衛星平台傳統固連設計思想，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。同時，“羲和號”衛星還在軌驗證了無線能源傳輸、艙間無線通信、艙間激光通信、重複連接釋放、艙間電纜脫落與收納、原子鑒頻太陽導航儀等多項新技術和新產品。“羲和號”高性能技術衛星平台在軌試驗，是世界上首次將磁懸浮技術在航天器上進行工程應用。

“羲和號”的成功發射實現了我國空間太陽探測成果零的突破，標誌著我國正式步入自主空間“探日”時代，開拓了我國太陽探測國際合作和交流的新局面。

趙堅指出，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於國外衛星數據。該衛星發射成功後，打破了我國在此領域的被動局面，成立了衛星數據科學委員會，制定了數據政策，供國內外科學家研究、使用、共享衛星探測數據，力爭產生更多的原創性科學成果，為人類科學事業作出中國貢獻。

給太陽當攝影師，“羲和號”裝備了哪些秘密武器？趙堅告訴記者，主要依靠“羲和號”衛星搭載的Ha成像光譜儀。太陽Ha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。此前，Ha譜線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Ha譜線，對其進行高分辨率成像，在46秒內獲得全日面1,600萬個點上的光譜，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溫度、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”衛星在軌開展的相關試驗，是國際上第一次在太空進行Ha譜線研究，目前已經獲得了2項太陽探測國際科學成果，顯著提高了我國在太陽物理領域的國際影響力。

據趙堅介紹，“羲和號”運行一年以來，國家航天局組織航天科技集團、南京大學等工程任務團隊，開展衛星平台超高指向精度、超高穩定度技術試驗300餘次，太陽光譜成像1,000餘次，圓滿完成了“羲和號”在軌測試和試驗工作，取得了重要科研成果，其中包含了5項國際首次成果：首次實現了對太陽Ha波段的光譜掃描成像，記錄了太陽活動在光球層和色球層的響應過程，通過一次掃描，可獲取376個波長位置的太陽圖像，不同波長對應了光球和色球不同層次的太陽大氣；首次在軌獲取了太陽Ha譜線、SiⅠ和FeⅠ譜線，得到了完整的譜線輪廓；首次採用基於“動靜隔離、主從協同”模式的非接觸式磁浮衛星平台，試驗結果顯示，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1-2個數量級；首次實現了太陽空間Ha譜線成像儀在軌應用，光譜分辨率優於0.0024nm；首次實現了在軌高精度原子鑒頻太陽測速導航儀在軌驗證,測速精度優於2m/s。這些重要成果，將在我國對地觀測、空間科學探測等後續航天任務中得到廣泛應用，應用前景廣闊。

開展空間太陽觀測是國際太陽物理研究領域的

必然發展和選擇

月球是地球的天然衛星，也是離地球最近的天體；火星是太陽系內人類未來最有可能移民的行星。通過探月工程和火星探測任務，我國對月球、火星地質和淺層結構進行了綜合探測，在深空探測領域取得一些重大成果。

那么，我們為什麼要開展太陽探測呢？趙堅解釋道，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。太陽時時刻刻發生氫、氦核聚變，發光發熱，為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無所不在，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。強耀斑和日冕物質拋射等太陽活動干擾通信和導航、威脅航天員的健康，甚至毀壞航天器，因此，對太陽活動的觀測和研究不僅具有重要的科學意義，更具有巨大的應用價值。另外，通過對太陽的探測，人類可以深入了解天體磁場的起源和演化、高能粒子的加速和傳播等重要物理過程，對天體物理學研究具有重要意義。

趙堅指出，太陽活動周期約11年，2021年至2022年是人類有紀錄以來第25個太陽活動周期的開始，全世界又進入太陽研究新的高峰期。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。

據介紹，人類已建立了地面太陽監測網，如目前性能最強的丹尼爾太陽望遠鏡，我國也在雲南撫仙湖、內蒙古明安圖等地建立了地面太陽觀測網，在太陽光譜、太陽磁場領域取得了一定的成果。但由於地球大氣對紫外線、X射線、伽馬射線等電磁波是不透明的，大氣吸收無法在地面上觀測；地面上的可見光波段也會受到地球大氣吸收、擾動和陰雨天氣等因素的影響，無法做到連續觀測；低頻射電波段由於電離層屏蔽，也無法在地面觀測；探測行星際等離子體、磁場信息，必須到深空中去。“所以開展空間太陽觀測是國際太陽物理研究領域的必然發展和選擇。”趙堅說。

記者了解到，自上世紀60年代以來，隨著航天技術的快速發展，全世界已發射了70多顆太陽觀測衛星，主要集中在美國、俄羅斯、歐洲等發達國家，主要聚焦太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究，大多數運行在地球軌道以及日地L1點的暈狀軌道。

1990年10月由美國航天飛機送入太空的“尤利西斯”探測器，利用核反應堆提供能量，首次實現了太陽極軌探測。1995年12月美國發射的太陽與日球層天文台，搭載了日冕診斷譜儀、高能粒子分析儀、極紫外望遠鏡等載荷，運行於日地L1點的暈狀軌道，對太陽進行連續觀測。2006年10月美國發射的世界第一對孿生太陽觀測衛星——日地關係觀測台，運行於388天的太陽環繞軌道，對太陽黑子爆發時進行了三維成像，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，是人類首次實現從不同方位對太陽進行立體成像觀測。2009年1月俄羅斯發射的“科羅納斯”太陽探測衛星，探測了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年美國的“帕克”太陽探測器近距離對太陽結構進行了探測，對太陽風、日冕磁場、高能粒子進行觀測。2020年2月歐空局發射的太陽軌道探測器，在距離近日點62個太陽半徑(0.28天文單位)處和偏離黃道面33°傾角的軌道觀測太陽及行星際空間環境。

“回顧60年來的空間太陽探測發展歷程，可分為三個階段。”趙堅向記者介紹道，第一階段為上世紀六七十年代，主要特點是將太陽作為點目標，實現了太陽活動和爆發的低分辨率探測，重點關注耀斑輻射；第二階段為上世紀八九十年代，主要特點是在提高觀測時間分辨率的同時，開始關注對太陽的面目標成像，空間分辨率提高到幾個角秒到十個角秒的水平，在內容上側重對太陽爆發和活動周的研究；第三階段從二十一世紀初開始至今，大幅度提高了觀測分辨率（包括能量分辨率、時間分辨率、空間分辨率），既注重太陽局部高分辨成像，又注重全日面成像。當前，太陽空間探測正在向多波段、多視角、近距離、高時空分辨率的綜合探測方向發展。

中長期太陽空間探測工程

香港可充分利用自身優勢參與其中

未來，我國的探日工程還有哪些計劃？趙堅表示，在“羲和號”取得巨大成功的基礎上，為推動空間科學太陽探測的可持續、跨越式發展，遵循對太陽由單視角到多視角、由低緯到極區、由遠及近的原則，研究形成了中長期我國太陽空間探測方案。

香港科學家曾參與探月工程一些裝備的設計研發，在後續的探日工程中，香港同胞在哪些方面有參與的可能？趙堅指出，香港同胞對國家的航天事業給予了持續有力的支持，中國航天成就也同樣凝聚著香港科技界的智慧和心血。比如，香港理工大學深度參與了我國探月和火星探測任務，參與方式包括使用先進的測量、遙感與地理信息技術，協助在月表及火星表面選取安全且具有科學價值的著陸地點，以及運用尖端的精密工程技術研製可耐受太空極端環境的儀器、完成在火星上拍照和月球上採集月壤樣本等任務。

趙堅稱，在將來的探日工程中，香港可充分利用雄厚的科技基礎以及高素質科技人才優勢，在太陽探測器平台、有效載荷研製以及探測數據研究等方面，與內地開展聯合攻關，更加廣泛、深入地參與到國家後續太陽探測任務中來，為探索宇宙奧秘、貢獻中國智慧、增進人類福祉作出更大貢獻。

近十年我國空間科學步入快速發展階段

自古以來，中華民族就向往飛向太空，遨遊宇宙，嫦娥奔月、羲和馭馬的美麗神話，敦煌石窟的仕女飛天壁畫，萬戶飛天的千古壯舉，無不寄托著華夏子孫的飛天夢想。空間科學主要是利用航天器研究發生在日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間的物理、天文、化學及生命等自然現象及其規律的科學。

趙堅告訴記者，黨的十八大之前，我國空間科學探測計劃較少，主要任務是在2005年至2006年間，中歐合作成功發射了地球空間雙星探測計劃，對地球磁層開展了探測研究。十八大之後，我國空間科學步入了快速發展階段。習近平總書記在2016年首個“中國航天日”之際指出：探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。國家航天局作為我國民用航天管理及國際空間合作的政府機構，高度重視空間科學發展頂層規劃，組織推動了一系列重點工程實施，引導了我國空間科學健康快速發展。

2016年，“實踐十號”發射成功，在軌完成了28項微重力和生命科學實驗，獲取了一批國際先進水平的創新性科技成果。2017年，硬X射線調制望遠鏡（HXMT）衛星——“慧眼”成功發射，對黑洞、中子星X射線雙星進行了高精度、高頻度定點觀測，為科學家們提供黑洞、中子星和中子星雙星的高靈敏度圖像。2018年，“張衡一號”電磁星成功發射，對地球電磁場開展高精度測量，助力空間地球科學應用研究邁上新台階；這一年中法海洋衛星也成功發射，首次實現了全球範圍內海風和海浪的同步觀測。2019年，“天琴一號”衛星成功發射，用於探測空間引力波技術研發。此外，中科院空間科學先導專項“墨子號”、“悟空號”等空間科學衛星，分別於2015年、2016年成功發射。

中國探月工程從2007年至2021年共成功發射了6次月球探測任務，嫦娥系列探測器對月球地質和月表淺層結構進行了綜合探測，在月球岩漿活動定年、礦物學特徵和化學元素分析等方面取得重大成果；中國火星探測計劃“天問一號”2020年成功發射，2021年完成了火星繞、落、巡探測任務，對火星地表結構、土壤和岩石物質成分開展了探測分析，深化了火星地質演化認知。後續“澳科一號”科學衛星、中法聯合研製的天文衛星也即將發射。

趙堅表示，中國政府高度重視空間科學、空間技術和空間應用的協同發展，已規劃了空間科學“三步走”的發展目標：到2025年，中國空間科學研究進入世界先進行列；到2035年，中國空間科學取得突破性成就；到2045年，中國空間科學發展成為世界主要的科學中心。

“太陽探測作為空間科學發展的重要領域，中國目前已經實現了兩個太陽探測計劃。”趙堅介紹，除了“羲和號”，還有先進天基太陽天文台“誇父一號”計劃，這是太陽探測的中國方案和中國貢獻。“誇父一號”是中科院先導專項規劃的一顆太陽綜合觀測衛星，以“一磁兩暴”為科學目標，對太陽耀斑、日冕物質拋射和全日面矢量磁場開展觀測，研究“一磁兩暴”的起源、相互作用及彼此關聯，為嚴重影響人類正常生活的空間災害性天氣預報提供支持，與“羲和號”一起形成我國“雙星探日”新格局。

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（首選地日L5點）、大傾角太陽極區探測和太陽抵近觀測“三步走”進行實施，由易到難，逐步深入，進一步了解太陽的構造，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。

（本文發布於《紫荊》雜誌2022年12月號）