“夸父一號”的全稱為先進天基太陽天文台（ASO-S）。它是中國科學院空間科學先導專項繼“悟空”“墨子號”“慧眼”“實踐十號”“太極一號”“懷柔一號”之後，研製發射的又一顆空間科學衛星，實現了我國天基太陽探測衛星的跨越式突破。1月12日，中國科學院院士和中國工程院院士投票評選的2022年中國十大科技進展新聞揭曉，“夸父一號”入選其中。目前“夸父一號”在軌測試情況如何？三台重要載荷運行觀測能力是否達到預期？“夸父一號”與“羲和號”的作用有何不同？本刊記者就此專訪了“夸父一號”太陽探測衛星首席科學家、中國科學院紫金山天文台研究員甘為群。

文｜本刊記者 莊蕾

甘為群

國際首次以“一磁兩暴”為科學目標

目前三台重要設備性能在軌驗證接近尾聲

記者：“夸父一號”於2022年10月9日發射升空，開啟了對太陽的探索之旅。請您先介紹一下，“夸父一號”的科學目標和創新點是什麼？

甘為群：除地球外，與人類最有關係的兩個天體，一個是太陽，一個是月球。我們國家在很早之前就有了對月球的探測計劃，但是對太陽的空間探測此前一直沒能實現。太陽是離我們最近的一個恒星，太陽上面發生的現象是我們理解宇宙和認識物理規律的一個非常好的樣本，所以我們常說太陽是一個天然的實驗室。另外，從與人類的關係來看，太陽比月球重要得多，人類沒有月球可以生存，但不能沒有太陽，所以研究太陽意義是非常重大的。

“夸父一號”的科學目標可以概括為4個字：“一磁兩暴”。這個詞是專門為這顆衛星提出來的，以前是沒有的。“磁”就是太陽磁場，“兩暴”就是太陽上兩類最劇烈的爆發現象——耀斑和日冕物質拋射。目前一般認為太陽劇烈爆發的能量來自磁場，但它們之間的關係尚不清楚。我們就是要研究這三者之間的關係，即磁場與耀斑的關係、磁場與日冕物質拋射的關係、日冕物質拋射與耀斑的關係；研究它們的形成、演化、相互作用和可能存在的因果關聯，同時為空間天氣預警提供支持。

“夸父一號”的主要創新點，我總結為“三個首次”：國際上首次以“一磁兩暴”作為衛星的科學目標並且配置相應的載荷組合；國際上首次在一顆近地衛星平台上，對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像、日冕物質拋射的日面形成和近日冕傳播同時進行觀測；國際上首次在萊曼阿爾法譜線波段實現全日面和近日冕無縫同時成像觀測。

記者：為了實現“一磁兩暴”的科學目標，“夸父一號”上配備了哪些重要裝備？

甘為群：為實現“一磁兩暴”的科學目標，“夸父一號”上共配備了三個載荷。分別是全日面矢量磁像儀，用來觀測太陽全日面矢量磁場；萊曼阿爾法太陽望遠鏡， 主要用來觀測日冕物質拋射的形成和近日冕傳播；硬X射線成像儀，主要用來觀測太陽耀斑的非熱輻射形態及能譜特徵。

“夸父一號”上的全日面矢量磁像儀是我國第一台空間太陽磁場測量設備，可進行全日面光球矢量磁場的持續觀測，與國際同類載荷相比具有更高的磁場測量靈敏度和時間分辨率。主要是由成像光學系統、偏振光學系統、穩像系統、數據採集處理系統、熱控系統、電子學系統幾部分組成。

“夸父一號”上的萊曼阿爾法太陽望遠鏡是我國第一台空間萊曼阿爾法太陽望遠鏡，不僅可以實現對太陽從全日面到內日冕的無縫觀測，還具有自動監測太陽耀斑爆發的能力，可實現在軌自動轉換觀測模式。

“夸父一號”上的太陽硬X射線成像儀採用獨特的傅里葉變換調制成像原理，對太陽耀斑活動中的30—200keV高能輻射進行全日面高分辨率成像和能譜探測，性能指標達到國際一流水平。

衛星在軌測試預期需要6個月時間，之後三個載荷每天可以觀測到大概500GB的數據量，通過地面支撐系統和科學應用系統的處理後向全球開放，數據共享。“夸父一號”設計壽命不少於4年，太陽活動有11年的周期，衛星的設計壽命可以基本覆蓋太陽峰年的極大期，這對我們的科學研究、實現衛星科學目標是非常有利的。

可與“羲和號”進行互補

擴展科學目標

記者：2021年10月，我國已經發射了國內首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”。同為探日衛星，“夸父一號”和“羲和號”有什麼不同？

甘為群：首要的一點不同是，“羲和號”和“夸父一號”雖然都是探日衛星，但“羲和號”是一顆“科學試驗衛星”，而“夸父一號”是一顆“空間科學專用衛星”。它們的使命是不同的。

作為一顆科學試驗衛星，“羲和號”主要是想從技術上驗證一種叫做“雙超”的衛星平台，簡單講就是想用“高精度指向”和“指向的穩定度”這兩個指標做一個試驗。衛星平台上是空的，當時上海八院廣泛徵集有效載荷，南京大學提出的Hα光譜望遠鏡成功入選。 顧名思義，這台望遠鏡是Hα波段，屬於可見光波段，在地面上也可以觀測，但是放到天上以後有非常大的好處。例如，可以實現連續對太陽進行高質量地觀測，克服地球大氣抖動、天氣、晝夜變化等問題，它可以在短時間內光譜掃描全日面，在全日面每一個點都可以光譜成像。大家知道光譜不同的位置代表太陽大氣色球不同層次，在不同的波長點上進行成像，就可以對太陽整個色球大氣動力學進行非常好的診斷。

“羲和號”是在2019年6月立項的，而“夸父一號”是2017年底就立項了。“夸父一號”是專門為太陽觀測而提出的，是完全以科學目標為牽引的空間科學衛星計劃。科學衛星就是這樣的特點——科學上需要做什麼研究，科學家就提出一個衛星計劃，整個衛星工程就是為這個科學研究服務，最重要的目標就是產出重大科學成果，所以我們稱“夸父一號”為“空間科學專用衛星”。

還有幾點不同，就是剛才講到我們的科學目標是“一磁兩暴”。我們首先要得到太陽全日面的矢量磁場，這跟“羲和號”是不一樣的。我們觀測太陽耀斑，萊曼阿爾法太陽望遠鏡是從紫外的波段進行觀測，硬X射線成像是工作在X射線波段，這些波段在地面是不可能實現的，必須在空間中進行，即波段上與“羲和號”不同。此外，“夸父一號”和“羲和號”的關注對象也不一樣，“夸父一號”是磁場、光球，然後是萊曼阿爾法色球、日冕、直至2.5個太陽半徑的內日冕，日冕物質拋射的日面形成和近日冕傳播，以及太陽耀斑的高能輻射。“羲和號”關注的是太陽色球結構與動力學。

實際研究中，“羲和號”可以跟“夸父一號”互補，拓展各自的科學目標。本來“夸父一號”衛星就有一個科學目標是關於太陽爆發能量的傳輸機制及動力學特徵，這與太陽大氣動力學緊密相關。“羲和號” 正好可以為“夸父一號”這個科學目標服務。

研製過程經歷三次“起死回生”

攻克多項技術難關

記者：在“夸父一號”的研製過程中曾遇到哪些困難？您和您的團隊是如何攻克難關的？

甘為群：“夸父一號”從預先研究、背景型號研究、綜合論證，到工程實施、衛星發射，前後經歷了整整11年，推進和研製過程都非常艱難，早期經歷了三次“起死回生”。衛星工程實施階段，主要是技術困難，因為衛星上三台載荷都是國內首次上天，很多技術是國內首次採用，可借鑒的經驗少，新技術、新部件、新材料多，而且要實現的任務比較多、比較複雜。

以全日面矢量磁像儀為例，它採用了一些國內首創的新器件、新技術，比如國內自主研發的首個大面陣CMOS探測器，需要具備高速的圖像讀出能力，我們是一邊研製一邊定型，做了大量地面試驗驗證其能夠適應空間應用。還有雙折射濾光器，也是首次國內自主研製且首次上天，涉及高精度波帶穩定技術，密封防漏油技術、氣泡消除等非常多關鍵技術。為了確保濾光器地面真空密封之後上天不會漏油，以及在軌工作時光路中不出現影響儀器觀測性能的氣泡，在地面做了大量的研製攻關工作。還有液晶偏振分析器，也是我國以前在其他衛星上沒有用過的新技術，背後也有大量測試和試驗驗證工作。

再說萊曼阿爾法太陽望遠鏡，其中日冕儀是要觀測太陽日面周圍的內日冕，兩者之間的強度對比在六個量級以上，日面雜光消除不了，對日冕儀清晰成像性能的影響是致命的。為了解決這個問題，我們花了大量的時間、精力進行攻關，遇到非常大的挑戰，經歷了非常長的時間，直至進入正樣時才徹底解決這個技術難題。

硬X射線成像儀的難度也非常高，硬X射線成像儀上共有99對光柵，最細的光柵只有18微米，不到頭髪絲的1/10，這麼細的光柵要一條條刻在又硬又厚的鎢板上，每一個探頭有幾千條甚至上萬條這樣的縫隙，這是一個關鍵技術。另外，前後兩個光柵在1.2米的間隔上要對的很準，稍微偏一點就無法成像了。實現這麼高的精度又是另一個關鍵技術。第三個關鍵技術是對溫度的控制，因為前後框架長度是1.2米，如果稍微有一點溫度差，就會導致框架變形無法對準。

此外，衛星上裝載的光學設備多，對光軸一致性要求非常高。微振抑制和微變形控制是清晰成像的保證，也是一項關鍵的技術。類似的關鍵技術還有很多，每一項都是經歷了無數次失敗才最終攻克。

需要特別強調的是，上述這些難關的攻克大部分都是在新冠疫情的三年管控期間，科研人員的付出可想而知。最終能攻克這些難關，得益於我們自己的鍥而不捨，對事業的強烈責任心，更是離不開國家綜合國力的提升。“夸父一號”三台載荷已經初步通過了觀測能力和先進性的在軌驗證，在結束在軌測試後，衛星將進入科學運行階段，我們希望國家有關部門能夠提供相應的配套支持，以更好組織全國乃至全球的太陽物理工作者利用“夸父一號”衛星觀測數據開展太陽物理前沿研究，共同實現衛星的科學目標。

首批科學圖像實現多項國內外首次

未來擬建立自主國際合作計劃

記者：2022年12月13日，“夸父一號”衛星首批科學圖像公布。請你介紹一下相關情況。下一步還有哪些計劃？

甘為群：這次對外公布了“夸父一號”自成功發射以來，3台有效載荷在軌測試期間，獲取的若干對太陽的科學觀測圖像，實現了多項國內外首次，在軌初步驗證了“夸父一號”三台有效載荷的觀測能力和先進性。

截至目前，“夸父一號”上述三台科學載荷測試接近尾聲，已經測試完的衛星平台和各載荷功能性能總體上滿足設計要求，建立了高精度穩定姿態指向、穩定工作溫度環境、可靠星地測控和數據傳輸鏈路，並獲取穩定能源，有力保障了衛星在軌開展工作。

在軌測試的前兩個月，“夸父一號”按照既定計劃，開展了大量對太陽的在軌測試和觀測，其中，全日面矢量磁像儀實現了我國首次在空間開展太陽磁場觀測，已獲得的太陽局部縱向磁圖的質量達到國際先進水平，為聚焦“一磁兩暴”科學目標，實現高時間分辨、高精度的太陽磁場觀測奠定了良好的基礎。

太陽硬X射線成像儀實現了我國首次太陽硬X射線成像，提供了地球視角目前國際上唯一的太陽硬X射線圖像，圖像總體質量達到國際一流水平，為實現對太陽耀斑展開非熱輻射空間分布、時間結構、能譜特征觀測奠定了堅實的基礎。

萊曼阿爾法太陽望遠鏡的3個子載荷之一，太陽日面成像儀國際首次在衛星平台上獲得了萊曼阿爾法波段全日面像，其中對日珥的演化圖像清晰完整。另一個子載荷——太陽白光望遠鏡觀測到太陽邊緣上2個罕見的“白光耀斑”，萊曼阿爾法波段的觀測能力得到了驗證。隨著子載荷——太陽日冕儀開機對日冕物質拋射開展觀測，萊曼阿爾法太陽望遠鏡將在日冕物質拋射的日面形成和近日冕傳播觀測方面發揮不可替代的作用。

下一階段，“夸父一號”將繼續按照既定計劃開展並完成在軌測試，爭取早日轉入在軌科學運行階段。同時，“夸父一號”將充分發揮三台有效載荷組合觀測的特色，加強國內外合作和數據開放共享工作，早日實現“一磁兩暴”科學目標，為太陽活動第25周峰年觀測和研究作出有顯示度的中國貢獻。

記者：剛才您提到要加強國內外合作和數據開放共享工作，能否詳細介紹一下在這方面有哪些計劃？

甘為群：我們很早就承諾在“夸父一號”完成在軌測試以後，數據立馬實時公開。不只是數據，我們的算法、分析軟件也將向全球同步公開。這樣的數據共享政策也是基於國際慣例，中國太陽物理學家一直以來也都在享受國際開放的數據政策。

另外，我們還有一些計劃，比如說在數據開放之前，組織一次國際培訓，把衛星、儀器、軟件、數據的情況，手把手地教給未來想利用我們數據開展研究工作的用戶，同時我們也會在網上把這些資料全部分享出去。我們還擬建立一些自主的國際合作計劃，比如每年在國際上邀請一些專家來我們衛星數據分析中心進行短期訪問，專門利用我們的數據開展合作與研究等。另外，圍繞“夸父一號”衛星的科學目標和數據研究進展，也會適時召開國內、國際學術交流會議等。

（本文發布於《紫荊》雜誌2023年3月號）