去太空倾听太阳的“呼吸”

    9月24日，捷龙三号运载火箭搭载着“复旦一号（澜湄未来星）”飞向太空。中青报·中青网记者了解到，这是由复旦大学和上海航天空间技术有限公司联合研制的第一颗卫星，依托国内相对完备的产业链和精简的设计，其硬件成本仅为国外具有相似科学目标卫星的“零头”。

    虽然“氪金”不多，但它却肩负着探索一门高深学问的重任——研究预测太阳爆发的机理问题，分析太阳表面为什么“炸”、什么时候“炸”。“复旦一号（澜湄未来星）”主载荷总设计师、复旦大学核科学与技术系副教授杨洋告诉记者，太阳表面的“炸”实际上是日面等离子体的一次集中爆发。

    “就像科幻电影《流浪地球2》里描述的那样，一旦太阳表面来了一次‘大爆炸’，它所释放的高能粒子风暴就可能把空间设施摧残殆尽。”杨洋介绍，他和6名复旦学子一起研制的“复旦一号（澜湄未来星）”紫外载荷，就是通过不断收集日面等离子体运动的数据，来分析这种“爆炸”的原因和规模，“有了这颗卫星，我们就能拿到第一手的太阳等离子体参数信息，建立一个自己的预测模型”。

    “在螺蛳壳里做道场”

    太阳是一个不断活跃的“有生命、有呼吸”的等离子体球，其平常的表面活动会产生太阳风。高强度太阳风对人类影响较大，主要来源于日冕（最外层大气）物质抛射过程中等离子体的向外喷射。这种等离子体被加速到太阳引力无法“拉住”它的程度，然后沿着太阳磁场线行进，到达地球附近。因其有极高的动能且携带大量电荷，会对近地空域的人造电子设备造成巨大影响甚至是毁伤。

    杨洋告诉记者，要把日面等离子体的运动情况研究清楚，就需要“复旦一号（澜湄未来星）”收集足够多的数据。不过，这颗卫星要在严苛的大温差环境和全波段辐照中“站住脚”，抵御来自太阳以及地球本身的中高能粒子，难度极大。

    不仅如此，这颗卫星还要有足够的“光谱拍照技术”和“数据刷新速度”，给不断活动的、特定区域的耀斑等离子体“拍照”。而这种能力，实现起来也不容易。

    所谓光谱拍照，就是要精准辨别出照片中每个像素的颜色。经过训练的“最强”人眼，能分辨波长相差1纳米的不同单色光，但是光谱拍照要求分辨0.05纳米以下的单色光。这相当于，在最敏感的女性所能辨别的两个相邻色号口红之间，用光谱技术再插入20个以上渐变色号。

    杨洋介绍，“复旦一号（澜湄未来星）”目前的光谱拍摄精度可以做到0.03纳米，这是我国研制的具有类似功能的卫星“之最”。

    “过去卫星采用过棱镜路线，而我们选择更高精度的光栅技术路线。”杨洋说，“复旦一号（澜湄未来星）”不仅分辨率高，画面刷新速度也很快，创造了280纳米紫外线波段内刷新速度“之最”。它能在最快0.1秒的时间内刷新拍摄日面等离子体爆发的细节，而之前国际上同类型卫星最快的速度，是1秒。

    实际上，如果想获得超高光谱分辨率，把卫星尺度做大就可以。但研制团队难就难在，要根据各种限制把这颗小卫星的边长控制在50厘米。

    “在小卫星里头，我们尽量让光跑斜线，这样它的焦距就可以长一些，距离越长，分辨率就能做得越高。”杨洋说，大卫星可以做到10-20米的总长，相比之下，“复旦一号（澜湄未来星）”是在螺蛳壳里做道场，“我们把整体光路都进行了特异性设计”。

    “花小钱办大事”

    “复旦一号（澜湄未来星）”研制团队还贯彻“多快好省”路线。国外同类型卫星的成本以亿美元计，这颗小卫星只花费了前者的1%。

    杨洋介绍，“复旦一号（澜湄未来星）”省钱的秘方是“依托产业链，核心自己搓”。比如，主载荷“核科一号”光谱仪就是杨洋和团队依托我国相对完备的产业链，用低成本器件一点一点“搓”出来的。

    “光谱仪中有很多小镜子，我们一方面要研究如何高精度地校准这些镜子，使之重量轻、角度准，另一方面还要研究这些镜子如何固定得住，经久耐用。”杨洋介绍，“复旦一号（澜湄未来星）”所携带的光谱仪要能够耐受-50℃-100℃之间的温差，热胀冷缩后，各种光学器件必然会发生细微的形变，直接导致“光路歪了”，拍出的“照片”变得模糊、收集到的数据出现偏差。

    “就像你的眼镜一样，我们平时使用不会有什么问题，但是如果温差过大的话，你会发现它有一些厚度上的变化和结构上的变形，影响视线的清晰度，严重的甚至会导致镜片碎裂。”杨洋说。

    为了让光谱仪在太空中适应巨大的温差，他们采用了一种特殊的“补偿结构”。热胀冷缩后，不同结构件的应变互相抵消，保持原位。

    光谱仪的固定胶，也是一门大学问。团队先后试用了多种进口和国产胶水，在极端环境中试验其稳定性。最终团队发现，一款国产胶表现良好，成本相应地又降了下来。

    “我们小卫星重量约50公斤，主载荷光谱仪不能超过2.5公斤，既要轻又要抗辐照。”团队成员、复旦大学核科学与技术系博士研究生田自强告诉记者，抗辐照简单理解就是“防晒”。与人类在地球上防晒、防紫外线不同，“复旦一号（澜湄未来星）”要直接面对太阳本身以及其他宇宙光源的照射。

    等离子体是一种带电离子，在太空中会高能“撞入”小卫星内部。一颗好不容易发射上天的卫星，要是“防晒”工作没做好，很有可能还没收集到数据，就已经被空间粒子给“吹”坏了。

    “我们小卫星内部还设置了4-5层保护层，不同层次的特性也不同，都能起到保护作用。”田自强说，复旦大学核科学与技术系有台全国独有的超级电子束离子阱装置，它是几代核物理师生“手搓”的大科学装置，通过这台已有的大装置，团队成员可以直接模拟日冕极端环境，以测试小卫星的“叠甲”是否有效。

    各种精修细改、加量减重的活儿，都是复旦大学师生团队一点一点摸索出来的，主打一个“勤俭持家，能自己干的不求人”。

    “在巨幅照片中寻找细微的指纹”

    值得注意的是，这颗小卫星的发射，将成为澜沧江－湄公河沿线六国科技合作领域的一个范本。

    2019年，为落实澜湄合作第四次外长会关于加强教育和青年领域合作的共识，来自澜湄六国的8所大学发起成立澜沧江－湄公河青年交流合作中心，该中心就设在复旦大学。其他合作学校还包括柬埔寨金边皇家大学、青海大学、广西财经学院、老挝国立大学、缅甸仰光大学、泰国宋卡王子大学和越南河内国家大学所属人文与社会科学大学等。

    多年来，六国青年在人文领域交往密切。这一次，“复旦一号（澜湄未来星）”将带着六国青年师生在科技领域的合作，一起“飞”向太空。

    “卫星载荷是复旦团队研制的，但未来所获得的珍贵太阳数据及其研究、分析等，可以与澜湄六国的青年师生共享。”复旦大学现代物理研究所党委书记赵强说。

    杨洋告诉记者，“复旦一号（澜湄未来星）”收集日面等离子体运动数据，只是进行太阳爆发研究的第一步，其后还有繁重的“解谱”工作。

    数据还没来，复旦大学核科学与技术系硕士研究生黄世涵已经在做“解谱”的准备工作了。他收集了此前世界各国公开的有关太阳等离子体的研究数据，初步编写了算法和预测模型，就等“复旦一号（澜湄未来星）”的最新数据到位。

    “‘解谱’就像是在一张巨幅照片中寻找细微的指纹。”黄世涵告诉记者，日面等离子体实际光谱数据回来后，他和团队成员要从光谱中提取有效数据，根据这些数据，在国内唯一的超级电子束离子阱装置上设计、运行地面实验，重复和模拟太阳表面的过程，并在分析天上和地上实验差异的过程中，厘清理论模型的优缺点并迭代改进，从而找出日面等离子体的运动规律。

    在这个过程中，澜湄六国的年轻人和资深学者都能一起参与。“不仅共享数据，我们还会在更大的范围内互访、互派学生、合建数据接收站，合建国际合作研究中心。”杨洋说。

    一个最新的消息是，前不久在泰国普吉举办的澜湄区域治理青年创新设计大赛上，复旦大学向六国青年展示了卫星研制和应用情况，并启动跨国科研团队的招募工作。接下来，就等着中国卫星传回的宝贵数据了。

中青报·中青网记者 王烨捷 来源：中国青年报