【地理视野】“羲和号”卫星为何选在晚上发射？

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10月14日18时51分，我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在太原卫星发射中心成功发射！

这颗卫星可不得了，实现了我国太阳探测零的突破，标志着我国太空探测正式步入“探日”时代！而且“羲和号”卫星一出手就不凡，在国际上首次实现太阳Hα波段光谱成像的空间探测，填补了太阳爆发源区高质量观测数据的空白，对我国空间科学探测及卫星技术发展都具有重要意义。

▲我国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在太原卫星发射中心成功发射。图源人民日报

从嫦娥“探月”到天问“探火”，再到羲和“探日”，中国航天强国建设迈出坚实步伐。

探测太阳有什么用？

我国的太阳探测计划有哪些？

“羲和号”卫星有哪些独特之处？

▲太阳探测科学技术试验卫星模拟高清图

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为什么要探测太阳

身处太阳系之中，人类无法不对太阳系的中心——给地球带来光明与能量的太阳产生好奇和探究。科学家表示，大约在46亿年前，太阳在距离银河系中心约2.6万光年处，由星云在自身引力作用下坍塌凝聚而形成，太阳寿命大致为100亿年，目前正处于壮年期。太阳直径达139万公里，是地球的107倍，质量则是地球的33万倍，占整个太阳系总质量的99.87%，可以说是太阳系的绝对主宰。这是一颗时时刻刻发生氢、氦核聚变、发光发热的巨大恒星。

“太阳对地球演化和人类文明发展的作用不可或缺，同时，太阳对地球的影响也无所不在，主要体现在太阳爆发产生大量带电高能粒子，对地球电磁环境造成严重破坏，其中尤以太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射对地球电磁环境影响最为显著。”

国家航天局对地观测与数据中心主任、高分辨率对地观测重大专项工程总设计师赵坚告诉记者，太阳活动周期约11年，2021年至2022年是人类有纪录以来第25个太阳活动周期的开始，全世界又进入太阳研究新的高峰期。

从世界范围来看，自上世纪60年代以来，随着航天技术的快速发展，全世界已发射了70多颗太阳观测卫星，主要集中在美国、俄罗斯、日本等发达国家，聚焦于太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射的观测研究。

有代表性的太阳探测器都有哪些？专家举了几个例子，比如2006年10月美国发射世界第一对孪生太阳观测卫星——日地关系观测平台，对太阳黑子爆发时进行了三维成像，帮助科学家们研究太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响；2009年1月，俄罗斯发射了“科罗纳斯”太阳探测卫星，探测太阳内部结构及太阳活动对地球气候、大气层及生物圈的影响；2018年美国“帕克”太阳探测器发射升空，近距离对太阳结构进行探测，获得了相当的成果。

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我国探测太阳的计划

国际上太阳探测如火如荼，中国的太阳探测计划当然不能落后。“十三五”期间，国家航天局就组织中国航天科技集团、南京大学、中国科学院等单位研究制定了空间科学研究发展路线图，并且紧锣密鼓开始实施。

“探测和研究太阳活动，提出应对措施，能够降低或规避对地球的不利影响。我国作为航天大国，及时开展太阳探测活动十分必要。”赵坚透露，我国目前已经制定了两个太阳探测计划，分别是“羲和”和“夸父”探测计划，这是太阳探测的中国方案和中国贡献。羲和是中国上古神话中的太阳女神，是掌管时间和历法的太阳神，并以太阳母亲的形象为人们所认知。“羲和号”实现了我国太阳探测破冰之旅，“夸父”计划则是研制发射先进天基太阳天文台卫星，对太阳进行科学观测，已纳入中国科学院先导计划，计划于明年发射。

此外，我国正在论证后续太阳探测发展计划，科学家们希望按照在黄道面内多视角探测、大倾角太阳极区探测和太阳抵近观测“三步走”进行实施，进一步了解太阳的构造，确定太阳活动的三维结构，掌握其机理和活动规律，从而造福人类，趋利避害。

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“羲和号”的创新之处在哪里？

专家介绍，此次发射的“羲和号”卫星全称是太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，主要科学载荷为太阳空间望远镜。“羲和号”整星重量508公斤，设计寿命3年，运行于517公里高度、倾角98度的太阳同步轨道，该轨道将经过地球的南北极，能够24小时连续对太阳进行观测。

▲太阳探测科学技术试验卫星模拟高清图

赵坚表示，“羲和”太阳探测计划紧紧围绕太阳探测热点问题，提出中国特色太阳探测模式，如在国际上首次实现空间太阳Hα波段的光谱成像探测；首次提出天文光谱测速导航新方法和新技术等，都具有重要意义。

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什么是太阳Hα谱线？

专家解释，太阳Hα谱线是研究太阳活动在光球和色球响应时最好的谱线之一，通过对该谱线的数据分析，可获得太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化，研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。

“之前只能在地球上对Hα谱线进行探测，受大气干扰，探测数据不连续不稳定。现在通过‘羲和号’探测，对其进行高分辨率成像，46秒内就能获得全日面1600万个点上的光谱，在300余个波长点上同时获得色球和光球的二维图像，可以更加准确的获得太阳爆发时大气温度、速度等物理量的变化，进而建立太阳爆发从光球到日冕的完整物理模型。这对太阳底层大气和太阳爆发的观测具有重要意义。”赵坚介绍，“羲和号”卫星在轨开展的相关试验，是国际上第一次在太空进行Hα谱线研究，有望获得有国际影响力的科学产出，将显著提高我国在太阳物理领域的国际影响力。

据了解，当前国际太阳探测成为热点，我国在太阳观测领域发表论文数量已居世界第二位，但是使用的数据均来自于国外卫星数据。“‘羲和号’发射成功后，将打破这种被动局面，我国将成立卫星数据科学委员会，制定数据政策，供国内外科学家研究、使用、共享卫星探测数据，力争产生原创性科学成果，为人类科学事业做出中国贡献。”赵坚说。

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国际首创的“双超”平台长啥样？

“羲和号”卫星的创新意义不仅仅体现在太阳探测方面，它采用国际首创的双超新技术卫星平台，实现了载荷在轨指向的超高精度和超高稳定度控制，比目前同等惯量的卫星平台提高了两个数量级，业内称之为“双超”平台，将推动我国高精度卫星平台技术革命性、跨越性发展。

据了解，随着我国航天产业的不断发展，对地观测、空间科学等各类航天任务对高性能卫星平台的需求越来越迫切，尤其是具有超高指向精度、超高稳定度指标的卫星平台，是制约航天事业后续发展的关键“卡脖子”技术之一。

“传统卫星采用平台舱和载荷舱固连的设计方法，因此平台舱活动部件振动会不可避免地传递至载荷，造成观测质量下降。”程卫强介绍，在国家航天局的大力支持下，卫星研制团队在国际上首次采用了“动静隔离非接触”总体设计新方法，将平台舱与载荷舱物理隔离，并将飞轮、太阳帆板等微振动源集中于平台舱、太阳Hα光谱仪放置于载荷舱，采用磁浮控制技术和执行机构实现两者物理非接触隔离，不仅阻断了平台舱微振动的传递路径，同时解决了平台舱热变形对载荷舱影响，使载荷控制精度和稳定度提升两个数量级以上。“羲和号”发射成功，标志着我国自主研发的“超高指向精度”、“超高稳定性”双超卫星结构平台顺利进入应用阶段。

同时，“羲和号”卫星还将在轨验证无线能源传输、舱间无线通信、舱间激光通信、重复连接释放、舱间电缆脱落与收纳、原子鉴频太阳导航仪等多项新技术和新产品。

赵坚表示，“羲和号”高性能技术卫星平台在轨试验成功后，是世界上首次将磁悬浮技术在航天器上进行工程应用，将大幅提升我国空间观测技术水平。未来，“双超”平台技术还将在高分辨率对地详查、大比例尺立体测绘、太阳立体探测、系外行星发现等新一代航天任务中推广应用，推动我国空间科学领域、航天技术领域跨越式发展。

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为什么晚上发射？

羲和号全称为太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星，运行于晨昏太阳同步轨道。不同于大多数发射任务，羲和号卫星的发射时间是在太阳下山之后，这使得很多人无比困惑，明明是探查太阳的卫星，为何要挑在晚上时发射？说到这，就不得不了解一下卫星的发射窗口了。

“发射窗口”是指比较适合火箭和航天器发射的一个时间范围，这个范围的大小也叫做“发射窗口”的宽度。

它是根据天体运行轨道的条件、航天器的轨道要求、航天器的工作条件要求和地面跟踪测控通信、气象要求等，建立起的数学模型、再输入相关数据经过精心计算后推导出来的。

最终要使得火箭入轨的地理位置，在测控弧段里面，避免卫星失控，并在卫星入轨以后，能够立即见到太阳，便于太阳帆板展开后能获得充足的电力。而且要保证卫星从准备轨道向目标轨道变轨时，尽可能少的使用推进剂，延长卫星寿命。

以航天器交会对接为例，要和目标飞行器在轨进行对接，发射时间必须控制在目标飞行器的轨道平面通过发射地点的时候，实现共面交会对接。飞船慢慢接近目标飞行器，发射时间必须零窗口，燃料最省。这样不但保证交会对接，还能安全的返回来。而在发射时，还要严格关注天气情况。

由于条件苛刻，所以合适的发射时机并不一定常有。也就是说窗口有宽有窄，宽的以小时计，甚至以天计，窄的只有几十秒钟，甚至为零。对于航天器而言，发射窗口的选择至关重要。如果未能在此“窗口”发射，则必须等待下一次的发射窗口。例如，人类第一个着陆月球背面的探测器——“嫦娥四号”，它的发射窗口在整个2018年只有4个窄窗口，最长4分钟、最短1分钟。一旦错过，就只能等到第二年。

因此根据发射任务的不同，科学家还会设计不同的发射窗口。例如当发射像气象卫星、陆地卫星、海洋卫星这样的遥感卫星时，为了便于卫星上可见光遥感器能很好地遥感地面的图像，需要求卫星运行轨道下方的地面目标有很好的光照条件。因此，发射这类航天器的发射窗口也都选在白天。谭老师地理工作室综合整理

就像不久前在酒泉卫星发射中心，于当日 7 时 28 分，利用长征四号丙运载火箭点火升空的风云三号E星。它是风云三号极轨气象卫星系列的第五颗卫星，是风云卫星家族里首颗晨昏轨道卫星，也是世界业务气象卫星家族中首颗晨昏轨道卫星。

而在将发射时间选在傍晚或黎明前的发射任务，通常是因为这时太阳处在地平线附近，发射场区及运载器飞行路过地区的天空比较暗淡，而运载器点火升空到一定高度后就能受到阳光照射，使反射阳光的箭体与背景天空形成较大的反差，从而使地面的光学跟踪测量仪器可以清晰地跟踪测量火箭的飞行轨迹，观察运载器飞行中的姿态和外部形象，跟踪测量和观察效果比较好。

因此许多航天器的发射都选择在天色黯淡的时候，这更方便地面的光学跟踪设备观测到航天器的飞行。例如西昌发射场，就经常在晚上发射卫星。其主要发射的是地球静止轨道的或者是高轨道的卫星。

除此之外，由于现代卫星为了减轻重量，所安装的蓄电池容量有限。而在夜晚发射的卫星抵达外太空后，其第一次打开太阳能帆板的这十几分钟里，可以与太阳形成最佳夹角，能及时使太阳能帆板工作。

总而言之，对于发射火箭来说，除了要满足气象条件以外，根据其围绕地球运行的固定的轨道，以及其本身的用途，还需要满足多种限制条件。这些条件有时比较苛刻甚至相互矛盾，经综合分析后最合适发射的时间就被限定在了一个时间窗之内。而受轨道的不同、航天技术的先进程度、航天器的任务、太阳、地球和其他星体的相对位置等很多因素的影响，发射窗口也并非是固定的。

在某些发射任务中，甚至要求火箭点火起飞的时间与预计时间偏差不能超过1秒，这就是所谓的零窗口。一般来说，当发射执行交会对接和深空探测任务时，就是零窗口发射。比如，我国“天舟一号”货运飞船，与“天宫二号”空间实验室的交会对接，其发射时间就是零窗口。

要知道火箭发射需要对数万台设备要进行故障排查、风险分析和操作实验，上千个岗位要进行协调配合，任何一台设备发生故障，任何一个岗位出现失误，"零窗口"都会擦肩而过。

▌来源：中学地理研究

▌参考：科技修仙EScat 人民日报、新京报综合