文/ 遲惑

▲ 太陽軌道器運行示意圖

2月10日，歐空局從美國佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射了全新的太陽軌道探測器，開始了飛向太陽的科學(xué)考察和冒險之旅。自古以來，人們對太陽就充滿了崇拜?，F(xiàn)代人類了解到太陽的真實面目之后，啟動了一系列宏大的科學(xué)計劃，太陽軌道器是其中最新的一個。

奇特的軌道

太陽軌道器的想法是2000年提交給歐空局的，歐空局的科學(xué)計劃委員會在2000年10月認為這個想法可行，于是把它列為靈活任務(wù)，打算在2008—2013年時間段內(nèi)擇機發(fā)射，排在貝皮·科倫布水星探測計劃之后。2002年5月，歐空局科學(xué)委員會再次確認了太陽軌道器計劃的必要性。到2004年，歐空局把太陽軌道器列入宇宙視野計劃的大框架之中，原本打算在2013年10月發(fā)射，后來調(diào)整到不晚于2015年5月。因此，它的設(shè)計很早就完成了，包括最為重要的防熱設(shè)計。雖然推遲了5年才發(fā)射，也算有始有終。

太陽軌道器的主要任務(wù)，是探索太陽以及太陽領(lǐng)域，為人們解讀關(guān)于這兩個領(lǐng)域的很多基礎(chǔ)問題，是太陽探測領(lǐng)域的一個重大進步。

太陽軌道器將部署在環(huán)繞太陽飛行的軌道上，按照最初設(shè)計，它距離太陽最近的時候只有0.228個天文單位。這是人類有史以來第一次把探測器送到離太陽如此之近的地方來實施現(xiàn)場觀測，并且拍攝高分辨率圖像。另外，太陽軌道器還將第一次離開黃道面，實現(xiàn)相對于太陽赤道超過30度的軌道傾角，在這個軌道上拍攝太陽圖像，以及對太陽極區(qū)進行光譜學(xué)觀測。

要實現(xiàn)這樣的近距離大傾角軌道，需要高能量的軌道轉(zhuǎn)移，以現(xiàn)有的常規(guī)推力系統(tǒng)，不采用天體引力輔助機動，是做不到的。太陽軌道器將采用引力輔助機動來實現(xiàn)這樣的軌道。通過金星的牽引，太陽軌道器最終實現(xiàn)的是一種叫做3:2的共振軌道，也就是說在這個軌道上，太陽軌道器每次和金星交會，都能利用它的引力來加大傾角，最終實現(xiàn)的軌道叫做科學(xué)軌道。進入這條軌道后，只需要進行少量軌道保持推進就可以了，消耗的推進劑不多。在方案論證期間，人們曾經(jīng)提出了兩種實現(xiàn)方案。第一種是采用太陽能電推進，第二種是采用化學(xué)推進。因為當時的想法是用俄羅斯聯(lián)盟火箭來發(fā)射，所以兩種推進方案都不能超過聯(lián)盟-微風(fēng)上面級的運載能力，但最后，俄羅斯火箭的方案被放棄了。

▲ 太陽軌道器的變軌

電推進方案打算實施兩次金星引力輔助變軌和一次地球引力輔助變軌，整個飛行過程需要1.8年。為了簡化熱設(shè)計，進入科學(xué)軌道后，在實施第二次金星引力輔助變軌之前，就要把太陽能電推進模塊丟棄，然后探測器就可以進入目標軌道了。

化學(xué)推進方案則打算實施兩次地球引力輔助變軌和兩次金星引力輔助變軌。在飛行期間執(zhí)行數(shù)次脈沖噴射機動，在實施第二次金星引力輔助變軌之前，就需要飛行3.4年。經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡，為了沿用貝皮·科倫布探測器上的成熟技術(shù)，歐空局最后還是選擇了化學(xué)推進方案。

▲ 科學(xué)儀器組成

▲ 太陽軌道器大小只有帕克的一半

▲ 太陽軌道器的天線可以折疊起來防熱

現(xiàn)在我們來詳細解釋一下太陽軌道器的變軌策略。發(fā)射之后，它首先要對平臺和系統(tǒng)進行自檢，然后向太陽飛行，到2020年6月，它將抵達距離太陽0.5個天文單位的地方。到2021年11月前，它要實施兩次金星引力牽引變軌和一次地球引力牽引變軌，進入太陽系的最內(nèi)層，這時就可以打開所有科學(xué)儀器實施觀測。第一次通過近日點將發(fā)生在2022年3月，距離太陽0.33個天文單位。太陽軌道器最終環(huán)繞太陽飛行的軌道周期是180天，也就是說，大約每6個月就要抵達一次近日點。探測器軌道的選擇與金星軌道是“共振”的。金星的公轉(zhuǎn)周期是224天，也就是說，探測器每運行6圈左右，就能夠和金星交會一次。一開始，太陽軌道器的軌道傾角和金星差不多。但是每交會一次，就能利用金星的引力來把軌道傾角提高一點。這就意味著，它每轉(zhuǎn)一圈，就能從一個不同的角度來觀測太陽。太陽軌道器的工作壽命設(shè)定在4年，在任務(wù)末期，它相對于太陽的軌道傾角會達到17度。如果4年任務(wù)之后，太陽軌道器沒有被曬壞，還能繼續(xù)工作，那么就可以繼續(xù)提升軌道傾角，最終達到33度。

和日本、印度不同，歐洲擁有自己的深空測控網(wǎng)，因此太陽軌道器雖然要和美國的帕克太陽探測器協(xié)同工作，但它的測控通信主要還是由歐洲自己承擔。任務(wù)控制中心設(shè)在德國中部小城達姆施塔特，這里是歐空局的歐洲空間運行中心所在地。但用來接收數(shù)據(jù)的35米大天線卻不在歐洲，而是設(shè)在阿根廷門多薩省的馬拉圭。設(shè)在澳大利亞諾西亞和西班牙賽富雷羅斯的天線作為備份。

因為不能保證實時通信，所以太陽軌道器獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)首先要存儲在星上，等到對地通信的時間窗口打開，就抓緊時間下行，窗口時間一般長8個小時。

科學(xué)運行中心設(shè)在西班牙的拉卡尼亞達，這里是歐洲空間天文中心所在地。如前文所述，太陽軌道器的每一圈軌道都會發(fā)生傾角變化，所以每一圈的科學(xué)任務(wù)都要重新規(guī)劃和實施。

▲ 太陽軌道器是在英國設(shè)計制造的

儀器要防熱

科學(xué)家們?yōu)樘栜壍榔髟O(shè)計了防熱保護罩，用以保護太陽軌道器本體的正常工作溫度。除此之外，探測器上搭載的儀器、天線和太陽電池，也有著獨特的工作要求和具體設(shè)計。

太陽軌道器攜帶的10件儀器同樣是向歐洲各國研究機構(gòu)招標而來的，經(jīng)過有效載荷工作組審定之后，才能進入總體設(shè)計。

這10件科學(xué)儀器都在保護罩的后面。但是當它們開展工作的時候，必須能“看見”太陽，至少要能“看見”太陽附近的空間。為了完成科學(xué)目標，這10件儀器分成了兩大類。一類是“原地測量”，一類是“遙感”。原地測量設(shè)備用來測量太陽軌道器所在位置上的空間環(huán)境。不過原地測量設(shè)備也不一樣，有些躲在防熱保護罩后面就可以工作，有些必須正對太陽。所以后者配備了單獨的小型熱防護罩。遙感測量設(shè)備就必須正對太陽了。因此，在熱防護罩上還開了一些小窗口，用滑動門保護起來。需要測量的時候，把門打開，露出測量設(shè)備的探頭。

考慮到這些儀器的工作要求都不相同，因此每臺儀器都有自己的溫度控制系統(tǒng)，彼此獨立。一般來說，觀測孔徑越大的儀器，伺候起來越麻煩。太陽軌道器上孔徑最大的兩件儀器是磁強計和日冕儀。

日冕儀自己帶有一個能防高溫的遮光體，它可以把熱量輻射到宇宙里去，以此來控制日冕儀本身的溫度。在遮光體后面設(shè)有一個反射鏡，可以把陽光反射到日冕儀內(nèi)用于測量。這樣，日冕儀所吸收到的陽光就非常少了，既可以保證測量，又不會被烤壞。

至于磁強計，它的外側(cè)設(shè)置了一個濾波器，可以把入射的陽光排除掉95%。這個濾波器本身的吸收率只有10%。它的研制也是整個太陽軌道器設(shè)計研制中的一個難點。設(shè)計完成后的磁強計由兩個磁通量閘組成，都安裝在探測器后方的設(shè)備架上，在設(shè)備圖中可以清晰地看到。它的電子設(shè)備盒則設(shè)置在探測器本體之內(nèi)。

另有兩個設(shè)備也需要提一下。太陽空間成像儀（SoloHI）設(shè)置在防熱保護罩的側(cè)面，并不直接面對著太陽。太陽軌道器平臺上的多數(shù)元器件都需要一個穩(wěn)定的運行環(huán)境溫度。為了滿足這個要求，必須為探測器設(shè)置防熱保護罩。這個保護罩要覆蓋探測器平臺本身和一部分外置器件，還要開出窗口，供一些遙感設(shè)備工作。不過，有些外部附件要暴露在太陽輻射之下，所以設(shè)計時要提出特殊的技術(shù)要求。X射線光譜儀（STIX）用來測量X射線，所以它的表面是不透明的。STIX直接布置在防熱保護罩的后面，還增加了一層紅外反射屏來降低溫度。

數(shù)據(jù)怎么發(fā)回來

▲ 太陽軌道器最后還是采用了化學(xué)推進方案

▲ 太陽軌道器最后選用宇“宙神5”發(fā)射

費了這么大力氣研制出來的探測器，獲得的探測數(shù)據(jù)當然是非常寶貴的。然而怎么才能把這些數(shù)據(jù)送回來？當然是通過天線了。但是作為近日飛行器，天線設(shè)計也是個大問題。太陽軌道器距離地球遙遠，天線太小了還不行。因此，任務(wù)團隊設(shè)計了一種叫做高溫高增益天線的設(shè)備，是在貝皮·科倫布計劃基礎(chǔ)上改進而來。熟悉航天器設(shè)計的人們都知道，高增益天線一般是非常薄的拋物面，它的形狀精度要求非常高，對熱脹冷縮引起的變型也非常敏感，所以在探測器接近近日點或者遠離近日點之前，這個天線都是收起來的。具體的要求是，只要接近到0.3個天文單位以內(nèi)，就把它折起來，置于防熱保護罩和探測器本體的遮擋之下。在這段時間里，地球就失去了和太陽軌道器的聯(lián)系，不能對它發(fā)送指令，也不能從它那里得到回傳的科學(xué)數(shù)據(jù)。除了天線反射面本身，饋源的設(shè)計也具有很大挑戰(zhàn)性，這種嬌貴的器件很難耐受高溫，因此設(shè)計師們采用了鈦合金、碳化硅和碳纖維增強復(fù)合材料來制造饋源，這樣它就能耐受不超過300攝氏度的高溫。

你不要太來電啊

太陽軌道器的太陽電池設(shè)計具有極大的挑戰(zhàn)性。太陽電池不僅僅要在近距離上保持工作能力，還要在整個飛行過程中做到電力穩(wěn)定輸出。這是很容易理解的，太陽軌道器一進入宇宙空間，就必須靠太陽電池發(fā)出的電力來正常工作。但是，地球軌道上的太陽輻射強度是一定的，越是接近太陽，輻射強度就越高。在科學(xué)軌道上，太陽軌道器經(jīng)受的太陽加熱是在近地軌道上的13倍。

如果太陽電池產(chǎn)生的電壓太高或者電流太大，會燒壞電路，這就變成壞事了。更麻煩的是，在整個變軌飛行期間，還可能出現(xiàn)距離太陽1.5個天文單位的情況，也就是地球到太陽距離的1.5倍。

這樣大幅度的距離變化，太陽電池該怎么設(shè)計和使用呢？最簡單的辦法就是控制傾角。當太陽軌道器距離太陽比較遠的時候，就減少相對于太陽的傾角，讓陽光盡量直射在電池陣上。當距離太陽比較近的時候，就加大傾角，只接受一小部分陽光，免得溫度太高。而當軌道器處在距離太陽較遠位置的時候，可以旋轉(zhuǎn)回來更多地正對太陽，來獲得足夠的能量。

這聽起來很容易，不過在大傾角情況下，需要面對太陽電池本身的邊緣效應(yīng)、內(nèi)部反射和光伏單元衰減等復(fù)雜的問題，而且改變傾角可能帶來電池陣溫度的大幅度變化。所以，電池陣相對于太陽的傾角不能大于70度。如果采用三結(jié)式砷化鎵電池，那么在70°傾角時，光伏單元的工作溫度會接近300攝氏度。這是不可接受的。因此，可以考慮用光學(xué)太陽反射器來替代太陽電池。

▲ 太陽軌道器抵達美國

太陽電池陣的底部采用增強碳纖維復(fù)合材料，來增強對高溫的耐受能力。經(jīng)過綜合設(shè)計，太陽電池的工作溫度可以控制在230攝氏度。

▲ 太陽軌道器飛越金星的想象圖

太陽軌道器到位后，將與美國宇航局的帕克太陽探測器協(xié)作，對太陽進行近距離觀察。帕克在2018年8月12日發(fā)射，目前已經(jīng)進入工作位置。

帕克所攜帶的儀器比太陽軌道器略少，但它距離太陽更近一些。帕克同樣采用了行星引力輔助變軌方式來接近太陽。帕克是目前人造物體接近太陽的紀錄保持者，2019年4月4日，它抵達了距離太陽只有2400萬公里的位置。然而這還不是最近的位置。帕克打算實施24次近日交會，距離最近的時候，到太陽表面只有620萬公里。因此，帕克的熱防護罩比太陽軌道器更加厚重。

帕克將直抵日冕爆發(fā)成太陽風(fēng)的區(qū)域，用儀器對日冕進行直接采樣。這將為科學(xué)家們提供有關(guān)區(qū)域等離子體情況的“鐵證”，也能更好地為人們指出太陽風(fēng)是怎樣推動行星的。帕克沒有直接拍攝太陽的相機，現(xiàn)有的技術(shù)無法制造出在如此近距離上拍攝太陽的設(shè)備，不過太陽軌道器上的相機可以作為補充。

如果把太陽軌道器和帕克的數(shù)據(jù)對照起來，可以獲得超出這兩個航天器本身單獨運行的科學(xué)成果。

相關(guān)鏈接

太陽為什么如此吸引人類眼球？

太陽是離我們最近的一顆恒星，這顆氣體恒星幾乎占據(jù)了太陽系的全部質(zhì)量，最大的行星——木星的質(zhì)量僅為它的千分之一。在給地球生命帶來光和熱的同時，“巨無霸”太陽也與地球生命形成了一個異常緊密的聯(lián)動體。

太陽大氣從內(nèi)向外可分為光球、色球和日冕三層。太陽所有光能均由光球發(fā)出，這是地球上燦爛陽光的源頭。光球之上1500公里左右是色球?qū)?，這一層由較稀薄的氣態(tài)物質(zhì)構(gòu)成。而太陽大氣最外層的那部分則叫做日冕，由更稀薄的氣體組成。

擁有三層結(jié)構(gòu)的太陽大氣既不均勻，也不寧靜，經(jīng)常發(fā)生頻繁的大氣活動。太陽黑子、耀斑（太陽色球和日冕過渡層上發(fā)生的一種局部輻射突然增加的現(xiàn)象，短時間內(nèi)會釋放出大量能量）、譜斑、日冕物質(zhì)拋射（大規(guī)模太陽物質(zhì)噴發(fā)）和太陽射電等變化都是太陽大氣十分活躍的表現(xiàn)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，頻繁的太陽活動會使電磁波輻射增強，會產(chǎn)生太陽風(fēng)暴，會使得高能帶電粒子突然增加，進而引發(fā)地球大氣溫度、密度、成分等方面變化，最終造成地球空間災(zāi)害性天氣。這不僅會破壞人造衛(wèi)星與地面的通信，導(dǎo)致地面導(dǎo)航系統(tǒng)失靈，而且還會威脅到人類自身的健康和周圍生態(tài)環(huán)境。因此，我們必須深入了解和掌握太陽活動的規(guī)律，以便日后能夠應(yīng)對自如。人類對太陽了解得越多,人類的未來也會越“穩(wěn)”。

雖然對人類來說，太陽是一顆獨特的恒星，但事實上，無論從大小，還是從光度等物理指標來看，在茫茫的宇宙中，太陽只是一顆再普通不過的恒星。作為一顆普通的恒星，許多太陽現(xiàn)象已經(jīng)成為整個天體物理學(xué)的基礎(chǔ)，研究太陽可以了解核能的產(chǎn)生及能量傳輸?shù)幕痉绞?，讓我們更深刻地理解對流、輻射和傳?dǎo)等物理過程。

此外，太陽還是人類目前唯一可進行高空間分辨率觀測的恒星，探索太陽對人類了解宇宙中恒星結(jié)構(gòu)和演化的過程具有獨一無二的參考價值。人類想要在未來進行星際旅行，尋找更多適宜居住的星球的話，同樣需要通過認識太陽來提高人類對整個宇宙空間環(huán)境的認知。

在很長的一段時間內(nèi)，天文學(xué)家只能依賴地基設(shè)備，依靠到達地球表面的光線來間接了解太陽，這讓人類對太陽的認知程度提升緩慢?，F(xiàn)在，有了空間衛(wèi)星和探測器的幫助，我們就能夠獲得更多太陽一手的資料，可以更直接地對太陽進行分析研究。

根據(jù)太陽活動的劇烈程度，可以把它們大致分為兩類：緩慢型和劇烈型。太陽黑子、冕洞和太陽常量等這類變化周期比較長的屬于比較典型的緩慢型太陽活動，而太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射這類幾乎瞬時發(fā)生的猛烈現(xiàn)象，可歸結(jié)為劇烈活動型。

以上太陽活動都可成為太陽探測器的觀測目標，尤其是劇烈型活動，像太陽耀斑、太陽風(fēng)、日冕物質(zhì)拋射等。不同波段的電磁輻射，紫外、x射線、γ射線等攜帶有太陽活動的大量信息，是名副其實的信息載體，所以，這些特征波段的電磁輻射是大多數(shù)探測器關(guān)注的對象。除了這些太陽活動之外，太陽探測器還有一個重要的觀測目標就是太陽磁場，因為我們看到的幾乎所有太陽活動，都是太陽的等離子體與磁場相互作用的結(jié)果。如果太陽不存在磁場，那么，太陽極有可能是一顆“老實本分”的恒星。讀懂太陽磁場，就讀懂了太陽絕大部分的行為。