“微笑”衛星：地球磁場的“攝影師”

浩瀚蒼穹中，太陽風與地球磁層的激烈交鋒，無時無刻不在上演。然而，這場“攻防戰”卻長期隱匿於人類的視野之外。

　　洞悉其中的奧秘，就必須擁有一雙能看得全、看得清、看得準的“眼睛”，而這正是中歐聯合研製太陽風—磁層相互作用全景成像衛星（以下簡稱“‘微笑’衛星”）的獨特本領。

　　“長期以來，人類對磁層的探測局限於‘點’，可謂‘只見樹木、不見森林’。”中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）主任、“微笑”衛星中方首席科學家王赤院士告訴科技日報記者，“9月30日，‘微笑’衛星首批觀測圖像及探測數據的發佈，標誌着該衛星已具備對地觀測成像能力，可在全球尺度上追蹤磁層演變過程，並實時獲取太陽風物理參數，為研究磁暴、亞暴等提供全新觀測手段。”

　　在“光海”裏尋找“蠟燭”

　　太陽風裹挾的高能粒子從哪兒闖入地球？答案是極區。

　　這些粒子沿磁力線從極區衝入高層大氣，在約110公里高空碰撞發光，形成極光。其形態和亮度變化，就像一盞信號燈，直接反映太陽風能量注入強度。

　　為看清極光，“微笑”衛星搭載了紫外極光成像儀，專門捕捉極光發出的真空紫外信號，其核心部件由相機和電控箱組成。最初，相機由加拿大方面&&研製，電控箱由中方負責。2021年7月，加方退出合作，相機研製重擔落到了中國團隊肩上。

　　“接到任務那一刻，我的心一下子提了起來——既為這項艱巨的挑戰感到興奮，又為緊迫的工期捏把汗。”研發團隊成員、空間中心研究員王咏梅回憶。彼時，設計驗證、接口協調、性能測試……多項工作同步壓來，僅有十來人的團隊一下子手忙腳亂。

　　“難點在於，極光信號比太陽背景光弱7到8個數量級，相當於在一片‘光海’裏找一根‘蠟燭’，還要看清火苗的細節。”王咏梅打了個比方。因此，相機必須具備收集、增強並成像極弱紫外極光的能力。

　　真空紫外標定是測試、驗證相機是否具備該能力的關鍵，也是難點所在。

　　紫外波段的光在大氣中會被強烈吸收，幾乎無法觀測。相機的裝調和性能測試都必須在真空罐裏完成。也就是説，相機研製出來後，不能像普通相機那樣隨時調試，必須進真空罐模擬太空環境，才能檢驗它到底能不能在強背景中看清極光。

　　“做模擬測試時，真空罐24小時不能停，進度是按天排的，在國際協調會上，哪怕只晚了一天，都要被追着解釋原因。那段時間，我們基本沒有休過任何假期。”王咏梅説。為了搶下進度，她帶領團隊輪流值守，保障測試連續進行，同時分析數據、迭代方案：一個參數不達標，就從頭排查；一次試驗數據異常，就重新裝配再測。

　　即便時間再緊迫，團隊在技術上也不敢有絲毫懈怠。每一處設計都進行了全鏈路的倣真迭代，每一個組件都在真空環境下反復測試。爭分奪秒之下，相機順利完成研製，經過多輪嚴苛分析與測試，全部性能指標均達到設計預期。

　　2026年7月16日，紫外極光成像儀在軌開機，成功獲取紫外極光數據，王咏梅才真正長吁一口氣。

　　感知極弱太空磁場

　　看清了極光，另一道亟待攻克的難題，是捕捉太空中微弱到幾乎難以察覺的磁場信號。“衛星上，這一工作由磁強計承擔。它所要感知的信號強度，尚不足地磁場的千分之一。”王赤介紹。

　　讓磁強計具備足夠高的探測靈敏度，成為研發團隊必須闖過的關口。

　　靈敏度的瓶頸，主要受制於傳感器的磁芯材料與繞線工藝。確定磁芯材料選型後，性能提升的關鍵便落在線圈繞制環節。線圈本體尺寸微小，繞制的疏密程度、均勻與否，都會造成器件性能的巨大差異。

　　“我們用的辦法有些‘笨’，卻很管用：一次繞制數十個樣品，逐個開展嚴苛測試，從中挑出最好的。”研發團隊成員、空間中心研究員李磊已記不清繞制、測試了多少個樣品，才最終選定3個性能最好的傳感器。

　　邁過線圈繞制的坎，抑制磁干擾又成為更棘手的難題。衛星上許多材料本身就自帶磁性，各類儀器電路通電後也會産生感應磁場。如果把磁強計直接安裝在衛星上，會測到大量干擾信號，根本無法分辨哪些是來自太空裏的真實磁場。

　　因此，必須把磁強計安置在一根伸展長桿的頂端，讓它遠離衛星本體。可新的問題隨之而來：伸桿本身也可能帶來磁干擾。“裝配使用的工具、零部件緊固過程中産生的應力變化，都有可能使原本無磁的材料意外帶上磁性。”李磊説，對於磁強計而言，即便是極其微弱的剩磁，也屬於不可忽視的干擾源。

　　團隊只能逐一去檢測每一個金屬小件。“可磁性這東西測起來沒那麼簡單。當時測可能沒問題，但換個環境或者擰緊之後再測，數值又變了，只能全部返工。”李磊告訴記者，就這樣，不知測了多少遍、換了多少批次，才最終篩出一批磁水平控制在極低閾值以內的金屬零部件。

　　正是這份於毫釐之間絕不妥協的堅守，讓磁強計獲得了精準感知太空真實磁場的過硬本領。

　　輕“骨架”扛起大“身軀”

　　各類載荷研製完成，如何將其集成裝配到“微笑”衛星平台上，充分發揮科學探測效能，成為擺在研發團隊面前的最後一道難關。

　　“微笑”衛星要去的，是一個近地點5120公里、遠地點12.09萬公里的大橢圓軌道。這個軌道太高，工程選定的火箭無法一步到位，只能靠衛星自帶推進艙，像“爬樓梯”一樣多次變軌把自己推上去。

　　但衛星總重被嚴格限定為2.25噸，推進燃料佔據絕大部分重量配額，留給衛星平台的結構重量僅余200多公斤。“用最輕的骨架扛起全部載荷，這是團隊接到的‘死命令’。”團隊成員、中國科學院微小衛星創新研究院研究員張曉峰説。

　　反復推敲後，團隊提出一個國內尚無先例的構想：拿掉推進艙的外殼，讓4個巨大的燃料罐直接裸露在外。“有承重梁就夠了，何必砌四面墻？”張曉峰解釋，這樣一來，所有“墻面”的重量全省了。

　　構想看似省事，工程落地卻險象環生。

　　燃料罐外露的佈局，讓衛星推進艙成了“上大下小”的怪模樣：底部跟火箭對接的連接環直徑僅1米左右，上部卻是近3米寬的大肚子。在地面振動試驗中，模擬火箭發射時的劇烈晃動一傳來，大肚子就晃得厲害，怎麼也穩不住。有人直接質疑：“一個大胖子穿雙高跟鞋，能行嗎？”

　　大家仔細分析後，發現問題癥結集中在連接燃料罐和主骨架的拉桿組件上。為抵禦發射時的劇烈振動，每根拉桿需施加一個恰到好處的預緊力。力度大，會損壞罐體；力度小，則無法形成有效約束。張曉峰形容：“這好比調校自行車的輻條，緊一分應力過載，松一分又剛度不足。”

　　為找到那個“剛剛好”的力，團隊在實驗室摸索了整整一週。裝配間隙、擰緊力矩、振動曲線，測了一遍又一遍，調了一輪又一輪。“白板上的數據擦了寫、寫了擦，不知道改了多少遍。”張曉峰感慨，當試驗數據達標的那一刻，這個頭重腳輕的“胖子”，才算穩穩穿住那雙“高跟鞋”。

　　目前，“微笑”衛星已轉入科學運行階段，持續産出全球空間科學界翹首以盼的觀測數據。“首批觀測圖像及探測數據的發佈，充分驗證了衛星具備優異的探測性能。”王赤表示，“未來它將推動空間天氣預報從定性描述邁向定量預報的新階段，顯著提升預報精度與能力。”