馬楠 王帥

（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院 2 北京空間科技信息研究所）

2020年2月10日，歐洲航天局（ESA）牽頭、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）參與實(shí)施的太陽(yáng)抵近探測(cè)任務(wù)——“太陽(yáng)軌道器”（Solar Orbiter，SolO）發(fā)射升空。“太陽(yáng)軌道器”與太陽(yáng)的距離最近僅為60個(gè)太陽(yáng)半徑，即約0.28個(gè)天文單位（AU），對(duì)日球?qū)雍吞?yáng)風(fēng)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，并對(duì)太陽(yáng)的極地區(qū)域進(jìn)行近距離觀測(cè)，從而揭示日球?qū)拥漠a(chǎn)生和變化?！疤?yáng)軌道器”將首次獲取太陽(yáng)極區(qū)的圖像，增進(jìn)對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)知，并幫助更好地了解和預(yù)測(cè)空間天氣。

1 任務(wù)背景

“太陽(yáng)軌道器”是一項(xiàng)致力于太陽(yáng)和日球物理學(xué)研究的任務(wù)，最早于2000年10月由ESA科學(xué)計(jì)劃委員會(huì)選定，經(jīng)過(guò)ESA內(nèi)部和航天工業(yè)超過(guò)10年的研究，形成了成熟、詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，并于2011年被選定為ESA“宇宙愿景2015—2025”（Cosmic Vision 2015—2025）計(jì)劃的首個(gè)中型任務(wù)，即M1任務(wù)。

NASA和ESA在“太陽(yáng)軌道器”任務(wù)中進(jìn)行了深度合作。2012年3月，NASA與ESA簽署了一項(xiàng)關(guān)于“太陽(yáng)軌道器”任務(wù)合作的諒解備忘錄。NASA不僅為任務(wù)提供了科學(xué)儀器以及用于發(fā)射的運(yùn)載火箭，并且“太陽(yáng)軌道器”還將與NASA的“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”（Parker Solar Probe）合作開(kāi)展探測(cè)以增加兩個(gè)任務(wù)的科學(xué)產(chǎn)出。

“太陽(yáng)軌道器”任務(wù)的總成本約為15億美元，其中包括NASA提供的科學(xué)儀器以及宇宙神－5（Atlas－5）運(yùn)載火箭?！疤?yáng)軌道器”由阿斯特里姆公司（Astrium）研制，最初定于2017年發(fā)射，經(jīng)過(guò)多次推遲后發(fā)射時(shí)間定為2020年2月。

“太陽(yáng)軌道器”示意圖

2 任務(wù)目標(biāo)

“太陽(yáng)軌道器”旨在揭示日球?qū)樱ㄌ?yáng)風(fēng)吹到星際介質(zhì)中的帶電粒子氣泡）如何工作以及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)其影響。航天器將采用原位探測(cè)與遙感觀測(cè)相結(jié)合的獨(dú)特測(cè)量組合，以將原位探測(cè)的結(jié)果與太陽(yáng)表面的來(lái)源區(qū)域和結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)。

“太陽(yáng)軌道器”將幫助人們了解太陽(yáng)如何產(chǎn)生和控制圍繞整個(gè)太陽(yáng)系并影響其中行星的巨大等離子體氣泡。任務(wù)將集中于4個(gè)主要研究領(lǐng)域：①太陽(yáng)風(fēng)和日冕磁場(chǎng)；②突發(fā)的太陽(yáng)事件及其影響；③太陽(yáng)噴發(fā)及其產(chǎn)生的高能粒子；④太陽(yáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生。

上述研究將著手回答4個(gè)頂級(jí)科學(xué)問(wèn)題：①太陽(yáng)風(fēng)以及日冕磁場(chǎng)是從哪里產(chǎn)生的？②太陽(yáng)瞬變?nèi)绾悟?qū)動(dòng)日球?qū)幼兓竣厶?yáng)噴發(fā)如何產(chǎn)生充滿日球?qū)拥母吣芰Ｗ虞椛?？④“太?yáng)發(fā)電機(jī)”如何工作并驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)與日球?qū)又g的連接？

3 航天器基本情況

航天器設(shè)計(jì)

“太陽(yáng)軌道器”是一個(gè)指向太陽(yáng)的三軸穩(wěn)定航天器，攜帶有專用的隔熱板，用于保護(hù)其免受近日點(diǎn)附近高水平的太陽(yáng)輻射影響。

“太陽(yáng)軌道器”發(fā)射質(zhì)量約為1800kg，其中有效載荷質(zhì)量約209kg；尺寸為2.5m×3.1m×2.7m，太陽(yáng)電池翼展開(kāi)后總長(zhǎng)度為18m。航天器共攜帶6塊太陽(yáng)電池板，每塊2.1m×1.2m，有效載荷功率為180W。儀器桿約為4.4m，3副無(wú)線電和等離子波天線為6.5m。

為保障科學(xué)目標(biāo)的同時(shí)降低任務(wù)成本，“太陽(yáng)軌道器”繼承了“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）等先前任務(wù)的技術(shù)，例如可旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)電池板技術(shù)、耐高溫高增益天線技術(shù)等。

“太陽(yáng)軌道器”性能參數(shù)

“太陽(yáng)軌道器”結(jié)構(gòu)

“太陽(yáng)軌道器”攜帶的10個(gè)科學(xué)儀器中，其中8個(gè)由ESA成員國(guó)資助完成，1個(gè)由歐洲牽頭的財(cái)團(tuán)提供，1個(gè)由NASA提供。

“太陽(yáng)軌道器”有效載荷

任務(wù)歷程

“太陽(yáng)軌道器”計(jì)劃進(jìn)入0.28AU×1.2AU的大橢圓環(huán)日軌道，軌道周期約為5個(gè)月，將提供對(duì)太陽(yáng)的近距離、高緯度觀測(cè)。標(biāo)稱任務(wù)時(shí)間為7年，可能的擴(kuò)展任務(wù)時(shí)間為3年。

2020年2月10日，“太陽(yáng)軌道器”搭乘美國(guó)的宇宙神－5運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角發(fā)射升空。發(fā)射后，系統(tǒng)和儀器將進(jìn)行首次試運(yùn)行，并將在6月首次飛越太陽(yáng)，此時(shí)近日點(diǎn)距離約為日地距離的1/2。

在2021年11月之前，“太陽(yáng)軌道器”將處于巡航階段，期間進(jìn)行2次金星借力以及1次地球借力，持續(xù)降低近日點(diǎn)距離，最終進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行軌道。在巡航階段，原位探測(cè)儀器將持續(xù)獲取數(shù)據(jù)，而遙感儀器將進(jìn)行校準(zhǔn)。

隨后，“太陽(yáng)軌道器”還將利用金星借力不斷提高軌道傾角，最終在標(biāo)稱的7年任務(wù)時(shí)間結(jié)束時(shí)將相對(duì)于黃道面的軌道傾角提高至24°，如果開(kāi)展擴(kuò)展任務(wù)則最多將軌道傾角提高至33°。

“太陽(yáng)軌道器”的原位探測(cè)儀器將一直運(yùn)行，而遙感儀器主要在近日點(diǎn)、相對(duì)于黃道面偏離最遠(yuǎn)的位置（即每周軌道上最大緯度和最小緯度的位置）附近軌道段運(yùn)行。由于軌道的特性會(huì)在飛行中發(fā)生變化，因此不同的軌道段將專門處理特定的科學(xué)問(wèn)題。

“太陽(yáng)軌道器”飛行歷程

4 任務(wù)特點(diǎn)分析

對(duì)太陽(yáng)開(kāi)展近距離探測(cè)，獲得首張?zhí)?yáng)極區(qū)圖像

“太陽(yáng)軌道器”是歐洲開(kāi)展的首次太陽(yáng)抵近探測(cè)任務(wù)，最接近太陽(yáng)處約為4.2×107km，比水星更接近太陽(yáng)。此前僅有美國(guó)于2018年發(fā)射了全球首個(gè)太陽(yáng)抵近探測(cè)任務(wù)—“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”。盡管“太陽(yáng)軌道器”沒(méi)有“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”距離太陽(yáng)近，但其相對(duì)于黃道面的軌道傾角更大，能夠從更高緯度對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)，獲得首張?zhí)?yáng)極區(qū)圖像。1990年發(fā)射的ESA與NASA合作開(kāi)展的“尤里塞斯”（Ulysses）任務(wù)曾對(duì)太陽(yáng)兩極進(jìn)行了首次探測(cè)，但該任務(wù)沒(méi)有攜帶相機(jī)。

“太陽(yáng)軌道器”將測(cè)量足夠接近太陽(yáng)的太陽(yáng)風(fēng)等離子體、場(chǎng)、波和高能粒子。相比于在地球附近進(jìn)行觀測(cè)，太陽(yáng)抵近觀測(cè)允許航天器更好地觀測(cè)太陽(yáng)表面特征以及其與日球之間的連接。此外，對(duì)太陽(yáng)極區(qū)的觀測(cè)將有助于揭示太陽(yáng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生太陽(yáng)磁場(chǎng)的過(guò)程。

“太陽(yáng)軌道器”將結(jié)合對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的原位探測(cè)以及對(duì)太陽(yáng)的遙感觀測(cè)?！疤?yáng)軌道器”攜帶的10個(gè)儀器組合，可支持和增強(qiáng)彼此的觀測(cè)結(jié)果，共同提供迄今為止有關(guān)太陽(yáng)及其環(huán)境的最全面、最完整的視圖。特別的是，“太陽(yáng)軌道器”在近日點(diǎn)附近的角速度將接近太陽(yáng)自轉(zhuǎn)，即在近日點(diǎn)附近航天器將基本懸停在太陽(yáng)大氣相同區(qū)域上方，因此能夠觀測(cè)到太陽(yáng)大氣中可能導(dǎo)致強(qiáng)烈耀斑及其爆發(fā)的磁活動(dòng)過(guò)程。

航天器可抵御太陽(yáng)輻射，同時(shí)配合兩類儀器工作

“太陽(yáng)軌道器”最接近太陽(yáng)的距離為4.2×107km，承受的太陽(yáng)熱量是地球軌道衛(wèi)星的13倍，需要能夠在500℃的高溫下生存并承受高電荷太陽(yáng)風(fēng)粒子的不斷轟擊，因此抵御太陽(yáng)輻射是航天器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。“太陽(yáng)軌道器”采用了先進(jìn)的隔熱板、可旋轉(zhuǎn)太陽(yáng)電池板和可折疊天線等技術(shù)防止過(guò)熱。同時(shí)，航天器還為不同儀器提供了進(jìn)入太陽(yáng)環(huán)境或者不受太陽(yáng)環(huán)境影響的條件，以允許多個(gè)原位探測(cè)儀器和遙感觀測(cè)儀器同時(shí)工作。

為保護(hù)“太陽(yáng)軌道器”免受極端高溫的影響，ESA、空客防務(wù)與航天公司（ADS）及其他工業(yè)合作伙伴共同開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的隔熱板技術(shù)。隔熱板的最外層為名為“太陽(yáng)黑”（SolarBlack）的磷酸鈣制劑，具有極強(qiáng)的吸熱能力；下一層由20個(gè)薄薄的鈦層組成，可承受高達(dá)500℃的溫度；再后面是一個(gè)間隙，將熱量引導(dǎo)至側(cè)面并遠(yuǎn)離航天器，跨過(guò)該間隙的唯一硬件是10個(gè)支架，將隔熱板的頂層連接到基座。基座本身是一個(gè)5cm厚的鋁蜂窩，上面覆蓋著30層的低溫絕緣層，可以承受300℃的溫度。隔熱板通過(guò)10個(gè)1.5mm薄的鈦“葉片”固定在航天器上，以實(shí)現(xiàn)最小化熱量傳遞。

所有的科學(xué)儀器位于隔熱板后面，但為了完成探測(cè)任務(wù)，還需要能夠觀測(cè)到太陽(yáng)，或者至少能夠觀測(cè)太陽(yáng)附近的空間區(qū)域。對(duì)于原位探測(cè)儀器，一些儀器可以留在隔熱板的陰影下，而另一些必須面向太陽(yáng)的儀器則裝備微型隔熱板或防護(hù)裝置。對(duì)于遙感儀器，隔熱板上裝備有小的滑動(dòng)門裝置，可以讓光進(jìn)入內(nèi)部安裝的遙感儀器中，特殊的窗戶將阻擋大部分熱量以保護(hù)儀器。其中有2個(gè)遙感儀器比較特殊，SPICE允許所有光線進(jìn)入并在內(nèi)部過(guò)濾掉不需要的內(nèi)容，而SoloHI則不直接觀測(cè)太陽(yáng)，而是觀測(cè)隔熱板的側(cè)面。

ESA與NASA開(kāi)展深度合作，共同推進(jìn)對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)知

ESA與NASA在太陽(yáng)探測(cè)方面有著長(zhǎng)期的合作伙伴關(guān)系，雙方一直在共同推進(jìn)人類對(duì)于太陽(yáng)的認(rèn)知。在ESA牽頭的“太陽(yáng)軌道器”任務(wù)中，NASA提供了1個(gè)科學(xué)儀器以及搭載航天器的運(yùn)載火箭。此外，ESA的“太陽(yáng)軌道器”將與NASA的“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”在研究太陽(yáng)方面緊密配合。

“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”的載荷比“太陽(yáng)軌道器”小，但更接近太陽(yáng)，“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”最終計(jì)劃飛越距離太陽(yáng)表面6.2×106km處。“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”可以對(duì)太陽(yáng)的日冕進(jìn)行采樣，并瞄準(zhǔn)日冕等離子體脫離而形成太陽(yáng)風(fēng)的空間區(qū)域。這將為科學(xué)家提供有關(guān)該區(qū)域等離子體情況，并有助于查明其如何向外加速。但“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”沒(méi)有可以直接觀測(cè)太陽(yáng)的相機(jī)，當(dāng)前沒(méi)有任何技術(shù)可以從這樣的近距離觀測(cè)太陽(yáng)。這部分信息將由“太陽(yáng)軌道器”補(bǔ)充。

“太陽(yáng)軌道器”可以為“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”提供背景信息，以增進(jìn)對(duì)“帕克太陽(yáng)探測(cè)器”原位測(cè)量結(jié)果的理解。通過(guò)這種方式的合作，兩個(gè)航天器將收集互補(bǔ)的數(shù)據(jù)集，這將使這兩項(xiàng)任務(wù)能夠獲得比任何一項(xiàng)單獨(dú)實(shí)施的科學(xué)任務(wù)更多的科學(xué)成果。

5 小結(jié)

探測(cè)太陽(yáng)有助于了解人類自身生存環(huán)境，應(yīng)實(shí)施相關(guān)任務(wù)

太陽(yáng)探測(cè)一直以來(lái)都是日地物理學(xué)研究的熱點(diǎn)，不僅有助于解答宇宙形成等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，牽引航天技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，即通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)更好地了解和預(yù)測(cè)空間天氣，進(jìn)而減少其危害。美國(guó)、歐洲長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)施了包括“尤里塞斯”、“風(fēng)”（Wind）、“太陽(yáng)與日光層觀測(cè)臺(tái)”（SOHO）等多項(xiàng)太陽(yáng)觀測(cè)任務(wù)，日本也曾發(fā)射太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星，印度近期也計(jì)劃實(shí)施位于日地拉格朗日L1點(diǎn)的太陽(yáng)觀測(cè)任務(wù)。

我國(guó)近年來(lái)實(shí)施了多項(xiàng)科學(xué)探索任務(wù)，覆蓋了天文觀測(cè)、月球與行星探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，但全面性尚不足，不利于推動(dòng)航天技術(shù)的全面發(fā)展。太陽(yáng)探測(cè)對(duì)于了解和預(yù)測(cè)空間天氣具有重要的意義，因此我國(guó)應(yīng)適時(shí)開(kāi)展太陽(yáng)探測(cè)任務(wù)。需要注意的是，科學(xué)任務(wù)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)厘清科學(xué)目標(biāo)，避免重復(fù)探索，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)成果的最大化。

科學(xué)探索任務(wù)具有全球共享特性，應(yīng)注重國(guó)際合作

由于科學(xué)探索的目的是促進(jìn)科學(xué)發(fā)展、推動(dòng)全人類文明，科學(xué)探索任務(wù)的很多數(shù)據(jù)往往在一段時(shí)間后就向整個(gè)科學(xué)界公布，其探測(cè)成果具有一定的全球共享特性。因此各國(guó)在實(shí)施任務(wù)過(guò)程中通常會(huì)引入國(guó)際協(xié)調(diào)與合作機(jī)制，避免重復(fù)探索，同時(shí)降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，共同服務(wù)人類科學(xué)發(fā)展。在太陽(yáng)探測(cè)方面，歐洲和美國(guó)一直緊密協(xié)作，開(kāi)展了不同任務(wù)探測(cè)內(nèi)容的協(xié)調(diào)、單項(xiàng)任務(wù)實(shí)施層面的合作。

我國(guó)在開(kāi)展太陽(yáng)探測(cè)任務(wù)時(shí)應(yīng)注重與他國(guó)的國(guó)際協(xié)調(diào)與合作，共同推進(jìn)人類文明與科學(xué)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)技術(shù)牽引、科技創(chuàng)新，發(fā)揚(yáng)大國(guó)風(fēng)范，推動(dòng)我國(guó)國(guó)際合作發(fā)展的多重盈利。一方面，在科學(xué)探測(cè)內(nèi)容上進(jìn)行國(guó)際合作，避免重復(fù)探測(cè)的同時(shí)，與其他任務(wù)配合開(kāi)展科學(xué)研究，進(jìn)一步增強(qiáng)科學(xué)探測(cè)的價(jià)值；另一方面，在任務(wù)實(shí)施層面可通過(guò)國(guó)際合作降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為構(gòu)建航天國(guó)際合作體系作出貢獻(xiàn)。