9月24日，捷龍三號運載火箭發(fā)射現(xiàn)場。中國長征火箭有限公司供圖

9月24日，捷龍三號運載火箭搭載著“復旦一號（瀾湄未來星）”飛向太空。中青報·中青網(wǎng)記者了解到，這是由復旦大學和上海航天空間技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的第一顆衛(wèi)星，依托國內(nèi)相對完備的產(chǎn)業(yè)鏈和精簡的設計，其硬件成本僅為國外具有相似科學目標衛(wèi)星的“零頭”。

雖然“氪金”不多，但它卻肩負著探索一門高深學問的重任——研究預測太陽爆發(fā)的機理問題，分析太陽表面為什么“炸”、什么時候“炸”。“復旦一號（瀾湄未來星）”主載荷總設計師、復旦大學核科學與技術(shù)系副教授楊洋告訴記者，太陽表面的“炸”實際上是日面等離子體的一次集中爆發(fā)。

“就像科幻電影《流浪地球2》里描述的那樣，一旦太陽表面來了一次‘大爆炸’，它所釋放的高能粒子風暴就可能把空間設施摧殘殆盡。”楊洋介紹，他和6名復旦學子一起研制的“復旦一號（瀾湄未來星）”紫外載荷，就是通過不斷收集日面等離子體運動的數(shù)據(jù)，來分析這種“爆炸”的原因和規(guī)模，“有了這顆衛(wèi)星，我們就能拿到第一手的太陽等離子體參數(shù)信息，建立一個自己的預測模型”。

“在螺螄殼里做道場”

太陽是一個不斷活躍的“有生命、有呼吸”的等離子體球，其平常的表面活動會產(chǎn)生太陽風。高強度太陽風對人類影響較大，主要來源于日冕（最外層大氣）物質(zhì)拋射過程中等離子體的向外噴射。這種等離子體被加速到太陽引力無法“拉住”它的程度，然后沿著太陽磁場線行進，到達地球附近。因其有極高的動能且攜帶大量電荷，會對近地空域的人造電子設備造成巨大影響甚至是毀傷。

楊洋告訴記者，要把日面等離子體的運動情況研究清楚，就需要“復旦一號（瀾湄未來星）”收集足夠多的數(shù)據(jù)。不過，這顆衛(wèi)星要在嚴苛的大溫差環(huán)境和全波段輻照中“站住腳”，抵御來自太陽以及地球本身的中高能粒子，難度極大。

不僅如此，這顆衛(wèi)星還要有足夠的“光譜拍照技術(shù)”和“數(shù)據(jù)刷新速度”，給不斷活動的、特定區(qū)域的耀斑等離子體“拍照”。而這種能力，實現(xiàn)起來也不容易。

所謂光譜拍照，就是要精準辨別出照片中每個像素的顏色。經(jīng)過訓練的“最強”人眼，能分辨波長相差1納米的不同單色光，但是光譜拍照要求分辨0.05納米以下的單色光。這相當于，在最敏感的女性所能辨別的兩個相鄰色號口紅之間，用光譜技術(shù)再插入20個以上漸變色號。

楊洋介紹，“復旦一號（瀾湄未來星）”目前的光譜拍攝精度可以做到0.03納米，這是我國研制的具有類似功能的衛(wèi)星“之最”。

“過去衛(wèi)星采用過棱鏡路線，而我們選擇更高精度的光柵技術(shù)路線。”楊洋說，“復旦一號（瀾湄未來星）”不僅分辨率高，畫面刷新速度也很快，創(chuàng)造了280納米紫外線波段內(nèi)刷新速度“之最”。它能在最快0.1秒的時間內(nèi)刷新拍攝日面等離子體爆發(fā)的細節(jié)，而之前國際上同類型衛(wèi)星最快的速度，是1秒。

實際上，如果想獲得超高光譜分辨率，把衛(wèi)星尺度做大就可以。但研制團隊難就難在，要根據(jù)各種限制把這顆小衛(wèi)星的邊長控制在50厘米。

“在小衛(wèi)星里頭，我們盡量讓光跑斜線，這樣它的焦距就可以長一些，距離越長，分辨率就能做得越高。”楊洋說，大衛(wèi)星可以做到10-20米的總長，相比之下，“復旦一號（瀾湄未來星）”是在螺螄殼里做道場，“我們把整體光路都進行了特異性設計”。

“花小錢辦大事”

“復旦一號（瀾湄未來星）”研制團隊還貫徹“多快好省”路線。國外同類型衛(wèi)星的成本以億美元計，這顆小衛(wèi)星只花費了前者的1%。

楊洋介紹，“復旦一號（瀾湄未來星）”省錢的秘方是“依托產(chǎn)業(yè)鏈，核心自己搓”。比如，主載荷“核科一號”光譜儀就是楊洋和團隊依托我國相對完備的產(chǎn)業(yè)鏈，用低成本器件一點一點“搓”出來的。

“光譜儀中有很多小鏡子，我們一方面要研究如何高精度地校準這些鏡子，使之重量輕、角度準，另一方面還要研究這些鏡子如何固定得住，經(jīng)久耐用。”楊洋介紹，“復旦一號（瀾湄未來星）”所攜帶的光譜儀要能夠耐受-50℃-100℃之間的溫差，熱脹冷縮后，各種光學器件必然會發(fā)生細微的形變，直接導致“光路歪了”，拍出的“照片”變得模糊、收集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

“就像你的眼鏡一樣，我們平時使用不會有什么問題，但是如果溫差過大的話，你會發(fā)現(xiàn)它有一些厚度上的變化和結(jié)構(gòu)上的變形，影響視線的清晰度，嚴重的甚至會導致鏡片碎裂。”楊洋說。

為了讓光譜儀在太空中適應巨大的溫差，他們采用了一種特殊的“補償結(jié)構(gòu)”。熱脹冷縮后，不同結(jié)構(gòu)件的應變互相抵消，保持原位。

光譜儀的固定膠，也是一門大學問。團隊先后試用了多種進口和國產(chǎn)膠水，在極端環(huán)境中試驗其穩(wěn)定性。最終團隊發(fā)現(xiàn)，一款國產(chǎn)膠表現(xiàn)良好，成本相應地又降了下來。

“我們小衛(wèi)星重量約50公斤，主載荷光譜儀不能超過2.5公斤，既要輕又要抗輻照。”團隊成員、復旦大學核科學與技術(shù)系博士研究生田自強告訴記者，抗輻照簡單理解就是“防曬”。與人類在地球上防曬、防紫外線不同，“復旦一號（瀾湄未來星）”要直接面對太陽本身以及其他宇宙光源的照射。

等離子體是一種帶電離子，在太空中會高能“撞入”小衛(wèi)星內(nèi)部。一顆好不容易發(fā)射上天的衛(wèi)星，要是“防曬”工作沒做好，很有可能還沒收集到數(shù)據(jù)，就已經(jīng)被空間粒子給“吹”壞了。

“我們小衛(wèi)星內(nèi)部還設置了4-5層保護層，不同層次的特性也不同，都能起到保護作用。”田自強說，復旦大學核科學與技術(shù)系有臺全國獨有的超級電子束離子阱裝置，它是幾代核物理師生“手搓”的大科學裝置，通過這臺已有的大裝置，團隊成員可以直接模擬日冕極端環(huán)境，以測試小衛(wèi)星的“疊甲”是否有效。

各種精修細改、加量減重的活兒，都是復旦大學師生團隊一點一點摸索出來的，主打一個“勤儉持家，能自己干的不求人”。

“在巨幅照片中尋找細微的指紋”

值得注意的是，這顆小衛(wèi)星的發(fā)射，將成為瀾滄江－湄公河沿線六國科技合作領(lǐng)域的一個范本。

2019年，為落實瀾湄合作第四次外長會關(guān)于加強教育和青年領(lǐng)域合作的共識，來自瀾湄六國的8所大學發(fā)起成立瀾滄江－湄公河青年交流合作中心，該中心就設在復旦大學。其他合作學校還包括柬埔寨金邊皇家大學、青海大學、廣西財經(jīng)學院、老撾國立大學、緬甸仰光大學、泰國宋卡王子大學和越南河內(nèi)國家大學所屬人文與社會科學大學等。

多年來，六國青年在人文領(lǐng)域交往密切。這一次，“復旦一號（瀾湄未來星）”將帶著六國青年師生在科技領(lǐng)域的合作，一起“飛”向太空。

“衛(wèi)星載荷是復旦團隊研制的，但未來所獲得的珍貴太陽數(shù)據(jù)及其研究、分析等，可以與瀾湄六國的青年師生共享。”復旦大學現(xiàn)代物理研究所黨委書記趙強說。

楊洋告訴記者，“復旦一號（瀾湄未來星）”收集日面等離子體運動數(shù)據(jù)，只是進行太陽爆發(fā)研究的第一步，其后還有繁重的“解譜”工作。

數(shù)據(jù)還沒來，復旦大學核科學與技術(shù)系碩士研究生黃世涵已經(jīng)在做“解譜”的準備工作了。他收集了此前世界各國公開的有關(guān)太陽等離子體的研究數(shù)據(jù)，初步編寫了算法和預測模型，就等“復旦一號（瀾湄未來星）”的最新數(shù)據(jù)到位。

“‘解譜’就像是在一張巨幅照片中尋找細微的指紋。”黃世涵告訴記者，日面等離子體實際光譜數(shù)據(jù)回來后，他和團隊成員要從光譜中提取有效數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，在國內(nèi)唯一的超級電子束離子阱裝置上設計、運行地面實驗，重復和模擬太陽表面的過程，并在分析天上和地上實驗差異的過程中，厘清理論模型的優(yōu)缺點并迭代改進，從而找出日面等離子體的運動規(guī)律。

在這個過程中，瀾湄六國的年輕人和資深學者都能一起參與。“不僅共享數(shù)據(jù)，我們還會在更大的范圍內(nèi)互訪、互派學生、合建數(shù)據(jù)接收站，合建國際合作研究中心。”楊洋說。

一個最新的消息是，前不久在泰國普吉舉辦的瀾湄區(qū)域治理青年創(chuàng)新設計大賽上，復旦大學向六國青年展示了衛(wèi)星研制和應用情況，并啟動跨國科研團隊的招募工作。接下來，就等著中國衛(wèi)星傳回的寶貴數(shù)據(jù)了。

分享讓更多人看到