“微笑”卫星：地球磁场的“摄影师”

来源：科技日报

科技日报记者 陆成宽

浩瀚苍穹中，太阳风与地球磁层的激烈交锋，无时无刻不在上演。然而，这场“攻防战”却长期隐匿于人类的视野之外。

洞悉其中的奥秘，就必须拥有一双能看得全、看得清、看得准的“眼睛”，而这正是中欧联合研制太阳风—磁层相互作用全景成像卫星（以下简称“‘微笑’卫星”）的独特本领。

“长期以来，人类对磁层的探测局限于‘点’，可谓‘只见树木、不见森林’。”中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）主任、“微笑”卫星中方首席科学家王赤院士告诉科技日报记者，“9月30日，‘微笑’卫星首批观测图像及探测数据的发布，标志着该卫星已具备对地观测成像能力，可在全球尺度上追踪磁层演变过程，并实时获取太阳风物理参数，为研究磁暴、亚暴等提供全新观测手段。”

在“光海”里寻找“蜡烛”

太阳风裹挟的高能粒子从哪儿闯入地球？答案是极区。

这些粒子沿磁力线从极区冲入高层大气，在约110公里高空碰撞发光，形成极光。其形态和亮度变化，就像一盏信号灯，直接反映太阳风能量注入强度。

为看清极光，“微笑”卫星搭载了紫外极光成像仪，专门捕捉极光发出的真空紫外信号，其核心部件由相机和电控箱组成。最初，相机由加拿大方面牵头研制，电控箱由中方负责。2021年7月，加方退出合作，相机研制重担落到了中国团队肩上。

“接到任务那一刻，我的心一下子提了起来——既为这项艰巨的挑战感到兴奋，又为紧迫的工期捏把汗。”研发团队成员、空间中心研究员王咏梅回忆。彼时，设计验证、接口协调、性能测试……多项工作同步压来，仅有十来人的团队一下子手忙脚乱。

“难点在于，极光信号比太阳背景光弱7到8个数量级，相当于在一片‘光海’里找一根‘蜡烛’，还要看清火苗的细节。”王咏梅打了个比方。因此，相机必须具备收集、增强并成像极弱紫外极光的能力。

真空紫外标定是测试、验证相机是否具备该能力的关键，也是难点所在。

紫外波段的光在大气中会被强烈吸收，几乎无法观测。相机的装调和性能测试都必须在真空罐里完成。也就是说，相机研制出来后，不能像普通相机那样随时调试，必须进真空罐模拟太空环境，才能检验它到底能不能在强背景中看清极光。

“做模拟测试时，真空罐24小时不能停，进度是按天排的，在国际协调会上，哪怕只晚了一天，都要被追着解释原因。那段时间，我们基本没有休过任何假期。”王咏梅说。为了抢下进度，她带领团队轮流值守，保障测试连续进行，同时分析数据、迭代方案：一个参数不达标，就从头排查；一次试验数据异常，就重新装配再测。

即便时间再紧迫，团队在技术上也不敢有丝毫懈怠。每一处设计都进行了全链路的仿真迭代，每一个组件都在真空环境下反复测试。争分夺秒之下，相机顺利完成研制，经过多轮严苛分析与测试，全部性能指标均达到设计预期。

2026年7月16日，紫外极光成像仪在轨开机，成功获取紫外极光数据，王咏梅才真正长吁一口气。

感知极弱太空磁场

看清了极光，另一道亟待攻克的难题，是捕捉太空中微弱到几乎难以察觉的磁场信号。“卫星上，这一工作由磁强计承担。它所要感知的信号强度，尚不足地磁场的千分之一。”王赤介绍。

让磁强计具备足够高的探测灵敏度，成为研发团队必须闯过的关口。

灵敏度的瓶颈，主要受制于传感器的磁芯材料与绕线工艺。确定磁芯材料选型后，性能提升的关键便落在线圈绕制环节。线圈本体尺寸微小，绕制的疏密程度、均匀与否，都会造成器件性能的巨大差异。

“我们用的办法有些‘笨’，却很管用：一次绕制数十个样品，逐个开展严苛测试，从中挑出最好的。”研发团队成员、空间中心研究员李磊已记不清绕制、测试了多少个样品，才最终选定3个性能最好的传感器。

迈过线圈绕制的坎，抑制磁干扰又成为更棘手的难题。卫星上许多材料本身就自带磁性，各类仪器电路通电后也会产生感应磁场。如果把磁强计直接安装在卫星上，会测到大量干扰信号，根本无法分辨哪些是来自太空里的真实磁场。

因此，必须把磁强计安置在一根伸展长杆的顶端，让它远离卫星本体。可新的问题随之而来：伸杆本身也可能带来磁干扰。“装配使用的工具、零部件紧固过程中产生的应力变化，都有可能使原本无磁的材料意外带上磁性。”李磊说，对于磁强计而言，即便是极其微弱的剩磁，也属于不可忽视的干扰源。

团队只能逐一去检测每一个金属小件。“可磁性这东西测起来没那么简单。当时测可能没问题，但换个环境或者拧紧之后再测，数值又变了，只能全部返工。”李磊告诉记者，就这样，不知测了多少遍、换了多少批次，才最终筛出一批磁水平控制在极低阈值以内的金属零部件。

正是这份于毫厘之间绝不妥协的坚守，让磁强计获得了精准感知太空真实磁场的过硬本领。

轻“骨架”扛起大“身躯”

各类载荷研制完成，如何将其集成装配到“微笑”卫星平台上，充分发挥科学探测效能，成为摆在研发团队面前的最后一道难关。

“微笑”卫星要去的，是一个近地点5120公里、远地点12.09万公里的大椭圆轨道。这个轨道太高，工程选定的火箭无法一步到位，只能靠卫星自带推进舱，像“爬楼梯”一样多次变轨把自己推上去。

但卫星总重被严格限定为2.25吨，推进燃料占据绝大部分重量配额，留给卫星平台的结构重量仅余200多公斤。“用最轻的骨架扛起全部载荷，这是团队接到的‘死命令’。”团队成员、中国科学院微小卫星创新研究院研究员张晓峰说。

反复推敲后，团队提出一个国内尚无先例的构想：拿掉推进舱的外壳，让4个巨大的燃料罐直接裸露在外。“有承重梁就够了，何必砌四面墙？”张晓峰解释，这样一来，所有“墙面”的重量全省了。

构想看似省事，工程落地却险象环生。

燃料罐外露的布局，让卫星推进舱成了“上大下小”的怪模样：底部跟火箭对接的连接环直径仅1米左右，上部却是近3米宽的大肚子。在地面振动试验中，模拟火箭发射时的剧烈晃动一传来，大肚子就晃得厉害，怎么也稳不住。有人直接质疑：“一个大胖子穿双高跟鞋，能行吗？”

大家仔细分析后，发现问题症结集中在连接燃料罐和主骨架的拉杆组件上。为抵御发射时的剧烈振动，每根拉杆需施加一个恰到好处的预紧力。力度大，会损坏罐体；力度小，则无法形成有效约束。张晓峰形容：“这好比调校自行车的辐条，紧一分应力过载，松一分又刚度不足。”

为找到那个“刚刚好”的力，团队在实验室摸索了整整一周。装配间隙、拧紧力矩、振动曲线，测了一遍又一遍，调了一轮又一轮。“白板上的数据擦了写、写了擦，不知道改了多少遍。”张晓峰感慨，当试验数据达标的那一刻，这个头重脚轻的“胖子”，才算稳稳穿住那双“高跟鞋”。

目前，“微笑”卫星已转入科学运行阶段，持续产出全球空间科学界翘首以盼的观测数据。“首批观测图像及探测数据的发布，充分验证了卫星具备优异的探测性能。”王赤表示，“未来它将推动空间天气预报从定性描述迈向定量预报的新阶段，显著提升预报精度与能力。”