“夸父一号”的全称为先进天基太阳天文台（ASO-S）。它是中国科学院空间科学先导专项继“悟空”“墨子号”“慧眼”“实践十号”“太极一号”“怀柔一号”之后，研制发射的又一颗空间科学卫星，实现了我国天基太阳探测卫星的跨越式突破。1月12日，中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2022年中国十大科技进展新闻揭晓，“夸父一号”入选其中。目前“夸父一号”在轨测试情况如何？三台重要载荷运行观测能力是否达到预期？“夸父一号”与“羲和号”的作用有何不同？本刊记者就此专访了“夸父一号”太阳探测卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台研究员甘为群。

文｜本刊记者 庄蕾

甘为群

国际首次以“一磁两暴”为科学目标

目前三台重要设备性能在轨验证接近尾声

记者：“夸父一号”于2022年10月9日发射升空，开启了对太阳的探索之旅。请您先介绍一下，“夸父一号”的科学目标和创新点是什么？

甘为群：除地球外，与人类最有关系的两个天体，一个是太阳，一个是月球。我们国家在很早之前就有了对月球的探测计划，但是对太阳的空间探测此前一直没能实现。太阳是离我们最近的一个恒星，太阳上面发生的现象是我们理解宇宙和认识物理规律的一个非常好的样本，所以我们常说太阳是一个天然的实验室。另外，从与人类的关系来看，太阳比月球重要得多，人类没有月球可以生存，但不能没有太阳，所以研究太阳意义是非常重大的。

“夸父一号”的科学目标可以概括为4个字：“一磁两暴”。这个词是专门为这颗卫星提出来的，以前是没有的。“磁”就是太阳磁场，“两暴”就是太阳上两类最剧烈的爆发现象——耀斑和日冕物质抛射。目前一般认为太阳剧烈爆发的能量来自磁场，但它们之间的关系尚不清楚。我们就是要研究这三者之间的关系，即磁场与耀斑的关系、磁场与日冕物质抛射的关系、日冕物质抛射与耀斑的关系；研究它们的形成、演化、相互作用和可能存在的因果关联，同时为空间天气预警提供支持。

“夸父一号”的主要创新点，我总结为“三个首次”：国际上首次以“一磁两暴”作为卫星的科学目标并且配置相应的载荷组合；国际上首次在一颗近地卫星平台上，对全日面矢量磁场、太阳耀斑非热辐射成像、日冕物质抛射的日面形成和近日冕传播同时进行观测；国际上首次在莱曼阿尔法谱线波段实现全日面和近日冕无缝同时成像观测。

记者：为了实现“一磁两暴”的科学目标，“夸父一号”上配备了哪些重要装备？

甘为群：为实现“一磁两暴”的科学目标，“夸父一号”上共配备了三个载荷。分别是全日面矢量磁像仪，用来观测太阳全日面矢量磁场；莱曼阿尔法太阳望远镜， 主要用来观测日冕物质抛射的形成和近日冕传播；硬X射线成像仪，主要用来观测太阳耀斑的非热辐射形态及能谱特征。

“夸父一号”上的全日面矢量磁像仪是我国第一台空间太阳磁场测量设备，可进行全日面光球矢量磁场的持续观测，与国际同类载荷相比具有更高的磁场测量灵敏度和时间分辨率。主要是由成像光学系统、偏振光学系统、稳像系统、数据采集处理系统、热控系统、电子学系统几部分组成。

“夸父一号”上的莱曼阿尔法太阳望远镜是我国第一台空间莱曼阿尔法太阳望远镜，不仅可以实现对太阳从全日面到内日冕的无缝观测，还具有自动监测太阳耀斑爆发的能力，可实现在轨自动转换观测模式。

“夸父一号”上的太阳硬X射线成像仪采用独特的傅里叶变换调制成像原理，对太阳耀斑活动中的30—200keV高能辐射进行全日面高分辨率成像和能谱探测，性能指标达到国际一流水平。

卫星在轨测试预期需要6个月时间，之后三个载荷每天可以观测到大概500GB的数据量，通过地面支撑系统和科学应用系统的处理后向全球开放，数据共享。“夸父一号”设计寿命不少于4年，太阳活动有11年的周期，卫星的设计寿命可以基本覆盖太阳峰年的极大期，这对我们的科学研究、实现卫星科学目标是非常有利的。

可与“羲和号”进行互补

扩展科学目标

记者：2021年10月，我国已经发射了国内首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”。同为探日卫星，“夸父一号”和“羲和号”有什么不同？

甘为群：首要的一点不同是，“羲和号”和“夸父一号”虽然都是探日卫星，但“羲和号”是一颗“科学试验卫星”，而“夸父一号”是一颗“空间科学专用卫星”。它们的使命是不同的。

作为一颗科学试验卫星，“羲和号”主要是想从技术上验证一种叫做“双超”的卫星平台，简单讲就是想用“高精度指向”和“指向的稳定度”这两个指标做一个试验。卫星平台上是空的，当时上海八院广泛征集有效载荷，南京大学提出的Hα光谱望远镜成功入选。 顾名思义，这台望远镜是Hα波段，属于可见光波段，在地面上也可以观测，但是放到天上以后有非常大的好处。例如，可以实现连续对太阳进行高质量地观测，克服地球大气抖动、天气、昼夜变化等问题，它可以在短时间内光谱扫描全日面，在全日面每一个点都可以光谱成像。大家知道光谱不同的位置代表太阳大气色球不同层次，在不同的波长点上进行成像，就可以对太阳整个色球大气动力学进行非常好的诊断。

“羲和号”是在2019年6月立项的，而“夸父一号”是2017年底就立项了。“夸父一号”是专门为太阳观测而提出的，是完全以科学目标为牵引的空间科学卫星计划。科学卫星就是这样的特点——科学上需要做什么研究，科学家就提出一个卫星计划，整个卫星工程就是为这个科学研究服务，最重要的目标就是产出重大科学成果，所以我们称“夸父一号”为“空间科学专用卫星”。

还有几点不同，就是刚才讲到我们的科学目标是“一磁两暴”。我们首先要得到太阳全日面的矢量磁场，这跟“羲和号”是不一样的。我们观测太阳耀斑，莱曼阿尔法太阳望远镜是从紫外的波段进行观测，硬X射线成像是工作在X射线波段，这些波段在地面是不可能实现的，必须在空间中进行，即波段上与“羲和号”不同。此外，“夸父一号”和“羲和号”的关注对象也不一样，“夸父一号”是磁场、光球，然后是莱曼阿尔法色球、日冕、直至2.5个太阳半径的内日冕，日冕物质抛射的日面形成和近日冕传播，以及太阳耀斑的高能辐射。“羲和号”关注的是太阳色球结构与动力学。

实际研究中，“羲和号”可以跟“夸父一号”互补，拓展各自的科学目标。本来“夸父一号”卫星就有一个科学目标是关于太阳爆发能量的传输机制及动力学特征，这与太阳大气动力学紧密相关。“羲和号” 正好可以为“夸父一号”这个科学目标服务。

研制过程经历三次“起死回生”

攻克多项技术难关

记者：在“夸父一号”的研制过程中曾遇到哪些困难？您和您的团队是如何攻克难关的？

甘为群：“夸父一号”从预先研究、背景型号研究、综合论证，到工程实施、卫星发射，前后经历了整整11年，推进和研制过程都非常艰难，早期经历了三次“起死回生”。卫星工程实施阶段，主要是技术困难，因为卫星上三台载荷都是国内首次上天，很多技术是国内首次采用，可借鉴的经验少，新技术、新部件、新材料多，而且要实现的任务比较多、比较复杂。

以全日面矢量磁像仪为例，它采用了一些国内首创的新器件、新技术，比如国内自主研发的首个大面阵CMOS探测器，需要具备高速的图像读出能力，我们是一边研制一边定型，做了大量地面试验验证其能够适应空间应用。还有双折射滤光器，也是首次国内自主研制且首次上天，涉及高精度波带稳定技术，密封防漏油技术、气泡消除等非常多关键技术。为了确保滤光器地面真空密封之后上天不会漏油，以及在轨工作时光路中不出现影响仪器观测性能的气泡，在地面做了大量的研制攻关工作。还有液晶偏振分析器，也是我国以前在其他卫星上没有用过的新技术，背后也有大量测试和试验验证工作。

再说莱曼阿尔法太阳望远镜，其中日冕仪是要观测太阳日面周围的内日冕，两者之间的强度对比在六个量级以上，日面杂光消除不了，对日冕仪清晰成像性能的影响是致命的。为了解决这个问题，我们花了大量的时间、精力进行攻关，遇到非常大的挑战，经历了非常长的时间，直至进入正样时才彻底解决这个技术难题。

硬X射线成像仪的难度也非常高，硬X射线成像仪上共有99对光栅，最细的光栅只有18微米，不到头髪丝的1/10，这么细的光栅要一条条刻在又硬又厚的钨板上，每一个探头有几千条甚至上万条这样的缝隙，这是一个关键技术。另外，前后两个光栅在1.2米的间隔上要对的很准，稍微偏一点就无法成像了。实现这么高的精度又是另一个关键技术。第三个关键技术是对温度的控制，因为前后框架长度是1.2米，如果稍微有一点温度差，就会导致框架变形无法对准。

此外，卫星上装载的光学设备多，对光轴一致性要求非常高。微振抑制和微变形控制是清晰成像的保证，也是一项关键的技术。类似的关键技术还有很多，每一项都是经历了无数次失败才最终攻克。

需要特别强调的是，上述这些难关的攻克大部分都是在新冠疫情的三年管控期间，科研人员的付出可想而知。最终能攻克这些难关，得益于我们自己的锲而不舍，对事业的强烈责任心，更是离不开国家综合国力的提升。“夸父一号”三台载荷已经初步通过了观测能力和先进性的在轨验证，在结束在轨测试后，卫星将进入科学运行阶段，我们希望国家有关部门能够提供相应的配套支持，以更好组织全国乃至全球的太阳物理工作者利用“夸父一号”卫星观测数据开展太阳物理前沿研究，共同实现卫星的科学目标。

首批科学图像实现多项国内外首次

未来拟建立自主国际合作计划

记者：2022年12月13日，“夸父一号”卫星首批科学图像公布。请你介绍一下相关情况。下一步还有哪些计划？

甘为群：这次对外公布了“夸父一号”自成功发射以来，3台有效载荷在轨测试期间，获取的若干对太阳的科学观测图像，实现了多项国内外首次，在轨初步验证了“夸父一号”三台有效载荷的观测能力和先进性。

截至目前，“夸父一号”上述三台科学载荷测试接近尾声，已经测试完的卫星平台和各载荷功能性能总体上满足设计要求，建立了高精度稳定姿态指向、稳定工作温度环境、可靠星地测控和数据传输链路，并获取稳定能源，有力保障了卫星在轨开展工作。

在轨测试的前两个月，“夸父一号”按照既定计划，开展了大量对太阳的在轨测试和观测，其中，全日面矢量磁像仪实现了我国首次在空间开展太阳磁场观测，已获得的太阳局部纵向磁图的质量达到国际先进水平，为聚焦“一磁两暴”科学目标，实现高时间分辨、高精度的太阳磁场观测奠定了良好的基础。

太阳硬X射线成像仪实现了我国首次太阳硬X射线成像，提供了地球视角目前国际上唯一的太阳硬X射线图像，图像总体质量达到国际一流水平，为实现对太阳耀斑展开非热辐射空间分布、时间结构、能谱特征观测奠定了坚实的基础。

莱曼阿尔法太阳望远镜的3个子载荷之一，太阳日面成像仪国际首次在卫星平台上获得了莱曼阿尔法波段全日面像，其中对日珥的演化图像清晰完整。另一个子载荷——太阳白光望远镜观测到太阳边缘上2个罕见的“白光耀斑”，莱曼阿尔法波段的观测能力得到了验证。随著子载荷——太阳日冕仪开机对日冕物质抛射开展观测，莱曼阿尔法太阳望远镜将在日冕物质抛射的日面形成和近日冕传播观测方面发挥不可替代的作用。

下一阶段，“夸父一号”将继续按照既定计划开展并完成在轨测试，争取早日转入在轨科学运行阶段。同时，“夸父一号”将充分发挥三台有效载荷组合观测的特色，加强国内外合作和数据开放共享工作，早日实现“一磁两暴”科学目标，为太阳活动第25周峰年观测和研究作出有显示度的中国贡献。

记者：刚才您提到要加强国内外合作和数据开放共享工作，能否详细介绍一下在这方面有哪些计划？

甘为群：我们很早就承诺在“夸父一号”完成在轨测试以后，数据立马实时公开。不只是数据，我们的算法、分析软件也将向全球同步公开。这样的数据共享政策也是基于国际惯例，中国太阳物理学家一直以来也都在享受国际开放的数据政策。

另外，我们还有一些计划，比如说在数据开放之前，组织一次国际培训，把卫星、仪器、软件、数据的情况，手把手地教给未来想利用我们数据开展研究工作的用户，同时我们也会在网上把这些资料全部分享出去。我们还拟建立一些自主的国际合作计划，比如每年在国际上邀请一些专家来我们卫星数据分析中心进行短期访问，专门利用我们的数据开展合作与研究等。另外，围绕“夸父一号”卫星的科学目标和数据研究进展，也会适时召开国内、国际学术交流会议等。

（本文发布于《紫荆》杂志2023年3月号）