“夸父一号”首席科学家团队： 让航天“皇冠上的明珠”闪耀中国光彩
【人才强国新征程】
从古至今,太阳引发了人类太多的思考。夸父逐日的传说,折射着中华民族对这颗耀眼恒星的好奇与向往。
2022年10月9日,中国综合性太阳探测专用卫星“夸父一号”在酒泉卫星发射中心升空,正式拉开了我国对日空间探测的序章。
2023年1月12日,由两院院士投票评选的2022年中国十大科技进展新闻在京揭晓,“‘夸父一号’发射成功并发布首批科学图像”,位列其中。
仰望天空,风云浩荡,有一群人可以在心中清晰勾勒出“夸父一号”的样貌细节。他们,是“夸父一号”首席科学家、中科院紫金山天文台研究员甘为群率领的科研团队。
“夸父一号”的逐日之旅,凝结着他们长达11年的岁月与心血。
不讲荣誉利益只管埋头苦干
“虽然现在人类对宇宙的观测已经延伸至130亿光年以外,但迄今为止,太阳仍然是浩瀚宇宙中唯一可供人类详细研究的恒星。”甘为群说,“太阳上发生的活动,不只影响着地球和人类,也可能在其他恒星上演。所以人类对太阳的物理过程越了解,对宇宙的认识也会更深刻。”
开启中国太阳探测新时代的“夸父一号”,全称为先进天基太阳天文台,运行在距离地面约720千米的太阳同步晨昏轨道。它是我国第一颗综合性太阳探测专用卫星,上面有3台载荷,实现对太阳“一磁两暴”多波段和空间拓展上的组合观测是其主要特色。
太阳活动以11年为周期,第25个太阳活动周期开始于2020年,将持续到2031年左右。这一周期内的峰值预计将出现在2024年到2025年,那时太阳爆发现象也最频繁。
“‘夸父一号’于2022年发射,可以记录下太阳活动由少变多、逐渐活跃直至达到高峰的过程,有利于捕捉到更多剧烈爆发现象。”“夸父一号”HXI载荷数据科学家、中科院紫金山天文台研究员苏杨表示,“空间探日,是研究和了解太阳的重要一步,对人类自身生存也具有重要现实意义。”
与太阳活动周期11年“同步”,“夸父一号”的发射适逢空间科学先导专项实施11年。“‘夸父一号’缘起于2011年中科院首批空间科学先导专项的立项实施。”甘为群介绍,“从概念性提出,到可行性研究、工程立项、工程实施,‘夸父一号’是一个大科学工程。11年期间,历经各种磨难,有科学上的挑战,更有资金、人员、施工等方面的难关。”
“‘夸父一号’的成功发射和运转,让我们深刻理解了‘两弹一星’精神和载人航天精神,简单说来就是大团队团结协作,不讲荣誉利益,只管埋头苦干。”甘为群强调,“主动肩负起历史重任,把自己的科学追求融入建设社会主义现代化国家的伟大事业中去,是新时代中国科技工作者精神世界的真实写照。”
“24小时在线”的科研团队
“我们的卫星目前还处于在轨测试阶段,这个阶段主要目的是验证载荷的观测能力以及载荷是否先进。”甘为群介绍,为了实现“一磁两暴”的科学目标,“夸父一号”携带了三个载荷——全日面矢量磁像仪(FMG)、太阳硬X射线成像仪(HXI)和莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)。
三个载荷的研制工作,都是全新的。研制团队在几年时间里分头完成了从“0到1”的探索。
HXI载荷的主要科学目标是在约30keV~200keV能量段,对太阳耀斑的高能辐射进行能谱和成像观测。“在国内,我们第一次研制这么高分辨率的硬X射线成像设备,并做到了跟国际最高水平相近。”苏杨说。
为了实现1.2米距离上微米级形变和角秒级扭转的高精度监测,苏杨和团队用了几年时间开展攻关,提出并验证了新的解决方案“太阳指向镜零位定标方案”及配套算法,成功解决了这个难题,同时将太阳中心的定位精度从2个角秒提高到优于0.3个角秒。
在对HXI准直器飞行件进行详细标定和测量过程中,由于现有设备达不到目标要求,一项重要测试结果一直不尽如人意。HXI主任设计师张哲带领的技术团队重新采购了高精度设备,并自行设计搭建了25米X射线束流测试平台。场地条件简陋,团队成员的吃住行需要克服重重困难。最终,团队成功获得了91个子准直器的测试曲线。
“LST载荷提供了首个在莱曼阿尔法波段的全日面和内日冕的连续观测。”LST载荷数据科学家、中科院紫金山天文台研究员封莉介绍,LST包含太阳日面成像仪、太阳白光望远镜、太阳日冕仪三台子载荷。
2021年夏天,为如期完成太阳日冕仪的研发工作,封莉和团队成员与技术难题展开“死磕”。“几个人基本上是轮流通宵。”封莉回忆道,“从原始物理参数的模拟,到合成莱曼阿尔法波段的成像,再到给载荷研制方提供具体技术参数,大家面临的挑战层出不穷。”
“这是一个痛并快乐的过程。克服科技难题,实现我国太阳卫星探测多项零的突破,对大家既是挑战又是动力。”“夸父一号”LST载荷科学团队成员、中科院紫金山天文台副研究员卢磊说,“我们是一个‘24小时在线’的团队,任何时间在线上抛出问题,都会有人立即响应,研讨交流随时都在进行。”
“从吃‘现成饭’,到‘烧大餐’给大家吃”
2022年10月9日,7时43分。
黄宇这一生都会记得,在那个秋意微凉的清晨,长征二号丁型运载火箭成功将“夸父一号”发射升空。
作为“夸父一号”卫星首席科学家助理、科学应用系统副总师,黄宇亲历了“夸父一号”研制的全过程。他强调:“经历4到6个月调试后,‘夸父一号’每天将产生大约500GB的科学探测数据,我们对太阳的研究将不再完全依靠国外的空间数据。”
“‘夸父一号’进入科学运行阶段后,它的卫星数据连同数据分析软件将对国内外同行开放共享,围绕其观测结果的研究有望成为国际热点。”甘为群说。
2022年12月13日,我国综合性太阳探测专用卫星“夸父一号”首批科学图像在京发布,其中多幅图像达到国际先进水平。
“当前,我国的太阳物理研究论文总数已居世界第二位,但这些论文所使用的研究数据大都来自国外的卫星,缺少自己原创性贡献。”黄宇表示,“‘夸父一号’不仅可以让我们拥有第一手的太阳研究数据,也将为国际天文学研究贡献中国力量。”
“一个完整的科研体系包括仪器、观测、研究。我们之前更多的是利用国外卫星的数据直接研究。”甘为群说,“打个比喻,以前我们吃‘现成饭’,现在我们‘自己烧饭’,以后我们要‘烧大餐’给大家吃。”
路虽远,行则将至。“在卫星研制阶段,任何一个考虑不周都会带来严重后果。”“夸父一号”HXI载荷科学团队成员、中科院紫金山天文台博士后夏凡小雨于2018年加入团队的科研工作。她说:“这几年,不仅跟着老师们开展了一系列开拓性的科研工作,而且培养了严谨的科研态度,最重要的是树立了攀登世界空间科学最高峰的信心。”
早春二月,万物萌发,“夸父二号”的规划研发工作也已蓄势待发。“作为空间科学先导专项,我们的卫星肩负着采撷航天‘皇冠上的明珠’的使命,必须能够增进人类前沿科学认知、实现更多从‘0到1’的突破。”甘为群介绍,“夸父二号”研发方案国内目前有好几个候选,前提必须是国际领先,我们团队也有一个从技术到科学均绝对先进的编队飞行太阳观测提案,简单讲就是前面一颗卫星携带新技术镜头,后面一颗卫星放探测器,通过长焦距得到前所未有的超高空间分辨太阳探测图像。
天空的点点繁星,始终是人类的梦想所在。甘为群团队以“现代夸父逐日”的科研故事告诉世界,在探索深空、探索自然的长路上,中国正迎光启航。
(本报记者罗 旭)
编辑: 石彬
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