中國為什么要研制綜合性太陽探測衛星？衛星載荷有何特色優勢？“夸父一號”科學目標有哪些？如何實施“逐日”探測？……在發射前夕，“夸父一號”衛星首席科學家、衛星系統和科學應用系統總設計師等對這些問題進行科普解讀。
開啟中國綜合性太陽觀測新時代
“夸父一號”衛星首席科學家、中科院紫金山天文臺甘為群研究員介紹說，中國空間太陽探測的嘗試最早在20世紀70年代中期，1976年曾提出主要觀測太陽的“天文一號”衛星；在2001年發射神舟二號飛船上搭載的空間天文(主要觀測太陽)分系統取得成功；期間還提出“空間太陽望遠鏡計劃”；2004年提出中法合作“太陽爆發探測小衛星計劃”，以及日地三星計劃；2011年中科院空間科學先導專項(一期)正式啟動，先進天基太陽天文臺剛好是為響應專項而提出的衛星計劃?，F在回顧起來，中國之前雖有一系列太陽探測衛星計劃的提出和嘗試，但均未走到最后，太陽探測專門衛星基本為零，先進天基太陽天文臺衛星計劃填補了這一空白。
這顆衛星計劃提出來的時候，國際上已有70多顆太陽探測專用衛星或相關衛星，中國在太陽物理地面設施和包括發表學術論文的研究方面已位居世界前列，為什么還要自主研制太陽探測專門衛星？甘為群指出，中國科學家發表研究論文所用的絕大部分觀測數據，都是來自國際上太陽衛星共享的資料、軟件、數據。“作為一個科研工作者，作為中國的太陽物理學家，你覺得你是世界領先的嗎？正是在這樣的背景下，我們一定要發射自己的(太陽探測)科學衛星”。從這個角度來講，提出研制發射“夸父一號”衛星計劃，就是強調中國要在國際上對太陽物理研究數據源頭作出重要貢獻。
他說，先進天基太陽天文臺先后經歷預先研究、背景型號、綜合立項論證等程序，于2017年底獲得工程立項批復，又經過5年的工程研制，突破諸多關鍵技術并克服疫情等重重困難，現在終于成功發射升空，“所以我們把先進天基太陽天文臺(即“夸父一號”衛星)，定義為開啟了中國綜合性太陽觀測的新時代”。作為中國的綜合性太陽探測專用衛星，“夸父一號”將實現中國太陽衛星探測跨越式突破。
“一磁兩暴”將創新三個國際首次
甘為群表示，“夸父一號”衛星的科學目標可概括為“一磁兩暴”，“一磁”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。太陽物理學家就是要研究這三者之間的關系，即磁場與耀斑、磁場與日冕物質拋射、日冕物質拋射與耀斑的關系，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。
為實現“一磁兩暴”的科學目標，“夸父一號”衛星上搭載有全日面矢量磁像儀(FMG)、萊曼阿爾法太陽望遠鏡(LST)和硬X射線成像儀(HXI)3個各具特色的有效載荷，分別觀測太陽磁場、日冕物質拋射和太陽耀斑。
“夸父一號”衛星有哪些創新？甘為群總結為“三個首次”：一是國際上首次以“一磁兩暴”作為衛星的科學目標并且配置相應的載荷組合；二是國際上首次在一顆近地衛星平臺上，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面傳播同時進行觀測；三是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。
“夸父一號”衛星系統總設計師、中科院微小衛星創新研究院諸成研究員指出，該衛星要高精度觀測太陽，3臺有效載荷在國內均為首次上天，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、比較復雜，衛星研制通過突破一系列關鍵技術，主要解決了三方面難點：
第一，星載7臺光學設備，同時精確指向太陽，確保每臺光學設備對太陽完整成像，所以各光學設備光軸之間的一致性要求非常高，這就需要高精度裝配達到這些光軸的一致。第二，衛星要經歷發射過程的力學振動和沖擊環境、太空中冷熱交替變化環境、超高真空環境，要保持星上各光學設備光軸之間變化極小，確保衛星壽命期內各光學設備觀測對象完整性。第三，采用對星上活動部件振動降低技術和穩像技術，實現光學防抖，獲取清晰的觀測圖像。
衛星數據面向全球實時免費開放
諸成介紹說，“夸父一號”衛星重量約859公斤，其軌道設計選取高720公里、傾角98.27度、周期99分鐘的晨昏太陽同步軌道，這個軌道全年只有約3個月存在較短地影，其他時間是全日照，可以連續長時間不間斷進行太陽觀測。同時，該軌道設計還可為硬X射線成像儀載荷提供粒子背景比較低的良好環境，并且大氣密度比較低，有利于降低散射雜光對萊曼阿爾法望遠鏡載荷的干擾。
甘為群表示，預期“夸父一號”衛星發射后，經過一段時間的在軌測試，正式進入工作模式交付用戶后，每天可觀測到大概500GB的數據量，通過地面支撐系統和科學應用系統處理后向全球開放，數據共享，供科學家進行太陽物理學研究。
“夸父一號”衛星科學應用系統總設計師、中科院紫金山天文臺黎輝研究員強調，“夸父一號”衛星整個數據是完全開放的政策，在衛星在軌測試完成、數據正常生產之后，會及時對全世界相關領域的科研工作者，包括太陽物理、空間環境、空間物理、空間天氣等領域，實時免費開放。他說，這樣的數據共享政策也是基于國際慣例，中國太陽物理學家一直以來都在享受國際開放的數據政策，“我們第一顆綜合性太陽觀測衛星成功之后，也要對世界做出承諾，我們的數據也是完全開放的”。
“夸父一號”科研團隊科普稱，太陽活動呈周期性變化，周期平均為11年，太陽黑子是太陽活動的重要標志。在一個活動周期開始后，黑子數量逐漸增多，太陽活動加劇，太陽黑子數量達到最多的年份，稱為太陽活動峰年。太陽活動第25周峰年預期在2024到2025年左右。“夸父一號”衛星計劃以太陽活動第25周峰年作為契機，將詳細記錄第25個太陽活動周的“太陽風暴”。屆時，通過“夸父一號”衛星數據全球開放共享，圍繞其觀測結果的研究有望成為國際熱點，科學家在研究太陽活動規律的同時，也會及時預報太陽爆發對人類的影響，以造福全人類。
中美太陽探測衛星是互補關系
中國最新成功發射的“夸父一號”太陽探測衛星，與美國2018年發射的“帕克號”太陽探測衛星，以及中國2021年發射的太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”，這三者之間有何關聯與區別？甘為群對此回應指出，“夸父一號”和“帕克號”科學目標不一樣，兩者是互補關系；“羲和號”是一顆科學試驗衛星，而“夸父一號”則是專門為太陽觀測研制的空間科學衛星。
他說，“帕克號”是美國主導的、歷史上是第一次飛到太陽附近進行觀測的衛星，其軌道是個大的橢圓，最近的近日點可以達到10個太陽半徑左右，這意味著它受到太陽的熱非常強，不可能面對太陽來進行觀測，只能在前面加上厚厚的防熱罩，所以這顆非常先進的衛星只能探測到太陽附近粒子、磁場這些環境，不能直接“看”太陽。而“夸父一號”衛星是直接“看”太陽，通過遙測遙感手段觀測太陽，對太陽進行成像。“帕克號”的科學目標主要是針對太陽風和太陽周圍環境，“夸父一號”科學目標是“一磁兩暴”，直接“看”太陽，所以兩顆衛星科學目標不一樣，它們完全是互補關系。
中國“羲和號”衛星于2019年6月立項，是一顆太陽探測科學技術試驗衛星，主要是從技術上驗證一種名為“雙超”的衛星平臺，旨在通過高精度指向和指向的穩定度這兩個指標做一個試驗。“羲和號”搭載的望遠鏡是氫阿爾法(Hα)波段，其在地面上也可以觀測，但是放在太空中有非常大的好處，它可以連續對太陽進行觀測，還可以克服地球大氣抖動等等帶來的一系列問題，可在短時間內光譜掃描全日面，在掃描的波長范圍里每一個光譜點都可以進行成像，從而對太陽整個色球大氣動力學進行非常好的“診斷”，開展相關研究。
甘為群表示，“夸父一號”衛星不僅在“一磁兩暴”科學目標、有效載荷觀測波段、觀測對象等方面與“羲和號”衛星完全不一樣，而且“夸父一號”是專門為太陽觀測而提出、完全以科學目標為牽引的空間科學衛星，期待實現中國天基太陽探測衛星跨越式突破。(完)
