為了“羲和號”奔向太空……(逐夢·十年奮進(jìn)路)
上海航天技術(shù)研究院供圖
制圖:沈亦伶
面前是一片光與火的海洋。烈焰洪流一般奔涌著、噴發(fā)著,無聲澎湃在恒星的表面。
太陽是如此巨大,33萬個(gè)地球相加,才能達(dá)到一個(gè)太陽的質(zhì)量。事實(shí)上,太陽占去太陽系總質(zhì)量的99.87%。我們無時(shí)無刻不在經(jīng)受它的吸引,無時(shí)無刻不被它光熱的潮水撫摸。我們賴以生存的食物、能源,乃至大氣的流動,無不直接或間接得益于太陽的饋贈。它恒定不變地澎湃在1.5億公里之外,燃燒著、噴發(fā)著,似乎亙古如斯,永無枯竭。
在南京大學(xué)的校園里,有一群人,一直在關(guān)注著太陽。在積蓄了半個(gè)多世紀(jì)的力量之后,他們把中國“觀日之眼”送入太空。
在中國科學(xué)院方成院士的眼中,太陽的光芒里充滿了未知。為什么有如此巨量日冕物質(zhì)拋射?為什么太陽有活躍周期?為什么太陽南北極磁場會調(diào)轉(zhuǎn)?
方成今年84歲,仍思維敏捷、精神飽滿,奔忙在工作一線。他親歷了中國對太陽研究的從無到有,從搭建觀測塔到升級天文臺。他領(lǐng)銜把中國第一顆太陽觀測衛(wèi)星“羲和號”送入太空。在方成院士和他的團(tuán)隊(duì)看來,“羲和號”是中國探日從地面跨入太空最堅(jiān)實(shí)的一級臺階。
攻關(guān)
“那我們發(fā)一顆衛(wèi)星到太空去看。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院80后教授李川,仍記得第一次聽方成院士講衛(wèi)星設(shè)想的情景。那時(shí),大家都覺得難以置信。
從來都是在地面研究太陽,用國外研究團(tuán)隊(duì)公開的數(shù)據(jù)找方向,最大膽的想法也不過是升級望遠(yuǎn)鏡,追趕別人的觀測條件。“先別說一個(gè)如此龐大的衛(wèi)星觀測項(xiàng)目需要多少錢,就說一次火箭發(fā)射要多少成本?”大家不敢想。
方成從來是個(gè)敢想敢干的人。1955年,方成來到南京大學(xué)讀書,當(dāng)他參觀紫金山天文臺時(shí),了解到我國的天文觀測設(shè)備,只能用“一窮二白”來形容。最大的設(shè)備,也不過是一架1924年購于德國的60厘米直徑的天文望遠(yuǎn)鏡。那時(shí),師生們最大的心愿,是建一座自己的太陽塔望遠(yuǎn)鏡。
誰也沒想到,項(xiàng)目自1958年上馬,歷經(jīng)22年,終于在以方成為首的團(tuán)隊(duì)手中完成。這期間,項(xiàng)目因種種原因多次中斷,但方成他們又一次次推動項(xiàng)目重新上馬。資料沒有,自己研究;缺少經(jīng)費(fèi),工地搭茅棚;好不容易買來幾方木料,租不起車,師生用板車?yán)?/p>
1979年秋天,一座小巧別致的穹頂塔臺矗立在南京孝陵衛(wèi)的荒山上,中國第一次擁有了自己的太陽觀測塔。觀測到清晰的太陽成像,收集到清晰的太陽光譜,中國對太陽的觀測研究大踏步走上了軌道。
方成自小就在向天空仰望。抗戰(zhàn)時(shí)期,父母離開上海避亂,方成出生在昆明。他記憶里,每當(dāng)警報(bào)響起,敵軍飛機(jī)從天邊飛來轟炸城區(qū)。那時(shí),他的志向是做飛機(jī)設(shè)計(jì)師。后來,陰差陽錯學(xué)了天文,他向天仰望的目光卻從此投射得更遠(yuǎn)。
他深知,加強(qiáng)對太陽的觀測研究,中國遲早要邁出這一步。早年他大學(xué)畢業(yè)后去北京深造,當(dāng)時(shí)趙九章等學(xué)界前輩正推動中國的衛(wèi)星上天。他們認(rèn)識到“日地關(guān)系”的重要和科研欠缺,建議方成專注于這方面的研究。
如今,中國的太空事業(yè),已經(jīng)從資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星,走向載人航天。一個(gè)航天大國,對太陽進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào),是多么緊迫又勢在必行!
太陽每時(shí)每刻都在發(fā)生著氫、氦核聚變。局部忽然增亮的爆發(fā)稱為耀斑。一個(gè)中等強(qiáng)度的耀斑,就相當(dāng)于百億顆原子彈爆炸的能量釋放。更巨大的爆發(fā)稱為日冕物質(zhì)拋射,以十億噸計(jì)的物質(zhì)噴射向行星際空間。一旦遭遇,高能粒子、電磁暴等將襲向地球,小則影響信鴿方向和導(dǎo)航,大則危及航天員安全、破壞電子器件、損毀衛(wèi)星、造成停電。
對太陽的重視,總與航天步伐一致。至今,世界各國已先后發(fā)射了70多顆太陽探測衛(wèi)星。其中,“帕克”太陽探測器正在試圖更近地觸摸太陽,距離太陽最近時(shí)僅約9個(gè)太陽半徑。
方成在多年的國際合作中看到差距,也在差距中對未來的路有了清晰認(rèn)識。2004年,他提出與國外合作,共同研制太陽觀測衛(wèi)星,但因外方資金不足而擱置。再一次,國內(nèi)一箭五星計(jì)劃又因故放棄。但方成沒有氣餒。一次次嘗試,他帶出更有探天積淀的隊(duì)伍。在中國向天外進(jìn)發(fā)的腳步中,探日的時(shí)機(jī)正在臨近。
出征
沉沉夜色中,隨著長征二號火箭點(diǎn)火,光焰如激流噴射而出,箭身穩(wěn)穩(wěn)升起旋即沖天而去,很快成了蒼穹上一顆亮點(diǎn)。2021年10月14日,“羲和號”從太原衛(wèi)星發(fā)射中心一飛而起,奔向太空。
當(dāng)時(shí),方成和團(tuán)隊(duì)都守在發(fā)射現(xiàn)場。從“羲和號”2019年6月立項(xiàng),到跟隨火箭一飛沖天,僅僅過去了兩年時(shí)間。中國的探日進(jìn)度,加速從地面跨入太空。
“羲和號”衛(wèi)星除了太陽成像,更主要的功能是利用中性氫原子譜線進(jìn)行全日面光譜掃描。此前,全世界尚未在太空中探測過這條Hα光譜。而通過這條譜線,可以巧妙反推出太陽的溫度、密度等,進(jìn)而能研究太陽大氣,了解爆發(fā)機(jī)理,對太陽爆發(fā)活動做出預(yù)報(bào)。
同時(shí),衛(wèi)星還將承擔(dān)技術(shù)試驗(yàn)的“特別使命”。由于要掃描整個(gè)日面組成一張完整太陽像,必須讓衛(wèi)星具備超高對準(zhǔn)精度與超高穩(wěn)定性。而衛(wèi)星在飛行中如何不產(chǎn)生振動?恰好,上海航天技術(shù)研究院鑄就了一件“利器”。如果把衛(wèi)星平臺艙比作無人機(jī),那么裝有鏡頭的平臺就是載荷艙,中國首創(chuàng)以磁懸浮的方式讓平臺艙和載荷艙分離,帶來了前所未有的穩(wěn)定和精度?!棒撕吞枴奔夹g(shù)要求苛刻,正好成為這項(xiàng)技術(shù)的“試車員”。
立項(xiàng)后的節(jié)奏快得讓人喘不過氣。南京大學(xué)、上海航天技術(shù)研究院和中科院長春光機(jī)所等單位的團(tuán)隊(duì)為“羲和號”忙碌起來。這是一場復(fù)雜的協(xié)同,有的要攻克光學(xué)器件,有的要完成衛(wèi)星開發(fā),有的要對未來數(shù)據(jù)定標(biāo)建?!昂芏嗳嗽谀缓鬀]日沒夜苦戰(zhàn),一顆衛(wèi)星逐漸成型?!崩畲ㄕf。
先是樣機(jī),測試調(diào)整,然后是真機(jī)運(yùn)到南京,連接上各種設(shè)備,對準(zhǔn)太陽做最后的檢驗(yàn)。后面還要完成整裝、搭載上箭,僅留出數(shù)天檢測窗口。沒想到,調(diào)試準(zhǔn)備好了,南京卻陰雨綿綿,讓人心急如焚。
團(tuán)隊(duì)一直焦慮看著天,烏云沉沉不散。直到最后一天,只聽有人喊:“天開了!”久違的陽光射出,“羲和號”最后一次在地球大氣層中注視太陽。檢測完畢,萬事俱備,只待升空。研制團(tuán)隊(duì)連夜帶著設(shè)備轉(zhuǎn)場,時(shí)間扣得很緊。
這就是地面觀測太陽的限制。風(fēng)雨陰晴,都會影響觀測,每天一半時(shí)間地球的一面都是背對太陽。而“羲和號”在距地表517公里的天外,繞行地球南北極,可以全天候朝向太陽巡看,每46秒完成一張全日面掃描,幾乎每時(shí)每刻都在記錄太陽數(shù)據(jù)。
在地面,地球大氣吸收了大部分電磁波,甚至太陽活動本身也在影響著大氣變化。當(dāng)人們看到星星眨眼,那正是因?yàn)榇髿獾牟▌?。剝?nèi)ミ@些迷霧,人類將有更多發(fā)現(xiàn)。比如,通過“羲和號”,人們第一次看到了太陽中硅元素的一條光譜譜線,而在大氣中,這條線被完全遮蔽了。
當(dāng)“羲和號”傳回首批數(shù)據(jù),方成心里的石頭總算落地了。但太陽成像始終不夠完美。所幸硬件設(shè)計(jì)如今運(yùn)用了多種傳感器,可以遠(yuǎn)距調(diào)控,幾經(jīng)試驗(yàn)找到了最佳位置,獲得了理想的太陽Hα光譜和成像。
運(yùn)行一年來,“羲和號”已經(jīng)漸入佳境。今年8月30日,國家航天局發(fā)布“羲和號”探日近一年成績單。它不僅傳回海量觀測數(shù)據(jù),記錄了近百個(gè)太陽爆發(fā)活動,更接連創(chuàng)下5個(gè)國際首次,驗(yàn)證了“磁懸浮”雙超技術(shù)、空間測速全新解決方案等的創(chuàng)新優(yōu)勢。
筑路
當(dāng)“羲和號”隨火箭刺破蒼穹,南京大學(xué)、上海航天技術(shù)研究院、中科院長春光機(jī)所等研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在現(xiàn)場。他們難得湊這么齊,當(dāng)即開會討論起未來的“羲和二號”。
兩年艱辛長跑,終點(diǎn)成了另一個(gè)起點(diǎn)。下一個(gè)目標(biāo)已經(jīng)倒逼他們爭分奪秒。
在方成的構(gòu)想里,“羲和號”是跨入太空的一小步,是“開胃菜”,是“試驗(yàn)田”,中國探日的大幕正徐徐拉開?!霸谖磥恚覀冃枰⒘Ⅲw觀日體系,包括在黃道面觀測、進(jìn)而建立繞太陽極區(qū)觀測體系,并最終抵近太陽……”
實(shí)現(xiàn)愿景,步子得從腳下走起。每7到14年,平均11年,會有一輪太陽黑子的集中爆發(fā)。自有記錄以來的第二十五個(gè)太陽活動活躍周期已經(jīng)開始,這對我國跟上前沿探日步伐,將是一個(gè)難得的觀測窗口期。
他們?yōu)椤棒撕投枴边x了一個(gè)絕佳觀測位置。日地之間多個(gè)引力平衡點(diǎn)稱作拉格朗日點(diǎn),其中L5點(diǎn)與太陽和地球的連線呈等邊三角形。如果長期穩(wěn)定停留在那里,將跳出人類幾乎只能正面觀測太陽的視角,觀測太陽的“側(cè)臉”。由于太陽自轉(zhuǎn),在L5甚至能提前4到5天觀測到即將波及地球的太陽活動,也將可以旁觀日地互動全過程。目前,還沒有人類的飛行器長期駐留在那里。
太陽像一個(gè)巨大的謎,讓探索者無法停步,無法移開視線,那團(tuán)未知如此令人著迷。他們驚訝于太陽的豐富,“目前地球的所有元素,太陽上全都有”。但對太陽活動認(rèn)知的有限,讓他們感到心急。在這群“追日人”的努力下,中國即將構(gòu)建起太陽立體探測體系,那將是一項(xiàng)造福全人類的事業(yè)。
在“羲和號”升空一年后,中科院先導(dǎo)項(xiàng)目先進(jìn)天基太陽天文臺衛(wèi)星發(fā)射升空,世界最大的直徑2.5米的軸對稱太陽望遠(yuǎn)鏡等也即將建成。而中國的太陽數(shù)據(jù),已向全球開放。
太陽是人類目前唯一可以如此接近去探測、去研究的恒星。人類有一天去往更浩瀚的深空探測的時(shí)候,來自太陽的經(jīng)驗(yàn)無比重要?!岸覀儗μ柕牧私?,還處在非常淺表的階段?!狈匠烧f,“我們這代人是向著太陽筑路,大的貢獻(xiàn)在后面,等著后來的人去完成!”
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