楊孟飛，代樹武，王穎，朱成林，楊尚斌，張也弛，*

1. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094 2. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094 3. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100101

1 引言

太陽是太陽系的中心天體，為地球孕育生命提供了所必需的能量，是地球上一切生命之源。

太陽探測具有重要的科學(xué)研究價值。太陽是人類唯一可以詳細探測的恒星，研究太陽上發(fā)生的各種物理過程對認識恒星具有無法替代的價值。而且太陽提供了一個獨特的物理學(xué)實驗室，在粒子物理學(xué)、磁流體力學(xué)、等離子體物理學(xué)研究方面可以幫助我們認識和理解許多地球上無法開展實驗的重要物理過程。

太陽探測對人類可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。太陽是太陽系的核心天體，控制著整個太陽系的引力環(huán)境、輻射環(huán)境、磁場環(huán)境和粒子環(huán)境，太陽活動(太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等)深刻影響著地球和人類的生存環(huán)境。太陽活動對地球空間環(huán)境及電力、航天、航空等人類活動都具有重要的影響，甚至是災(zāi)難性的。探索和預(yù)報太陽活動與演化規(guī)律對人類可持續(xù)發(fā)展具有重要應(yīng)用價值。

1957年，人類首顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射，具備進入空間能力以后，人類便同步開始了對太陽的空間探測，空間探測可以擺脫地球大氣、輻射帶和地球自轉(zhuǎn)等影響，開展多波段、全時域和高精度的太陽探測。太陽空間探測經(jīng)過60余年的發(fā)展，取得了很多重要的成果，如：針對太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁活動起源，發(fā)現(xiàn)了太陽對流區(qū)的近剛體自轉(zhuǎn)(SOHO)以及發(fā)現(xiàn)子午環(huán)流的復(fù)雜結(jié)構(gòu)(SDO)等；針對太陽過渡區(qū)和高層大氣結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)日冕環(huán)震蕩(TRACE/SDO)以及獲得小尺度磁重聯(lián)的觀測證據(jù)(SOHO)等；針對CME在行星際的傳播，發(fā)現(xiàn)兩類快(慢)速CME(SOHO)以及CME的三維結(jié)構(gòu)特征(STEREO)等；針對太陽風(fēng)起源和粒子加速機制，發(fā)現(xiàn)高速太陽風(fēng)的來源(Ulysses)和太陽風(fēng)中的磁場彎折現(xiàn)象(Parker)等；針對太陽爆發(fā)活動，進行了太陽耀斑的二維磁重聯(lián)經(jīng)典模型驗證和觀測(SOHO，SDO)，得到了寧靜區(qū)網(wǎng)絡(luò)磁場中強水平橫場結(jié)構(gòu)以及小尺度發(fā)電機證據(jù)(Hinode)。

盡管太陽空間探測取得了豐碩的成果，但仍有大量的問題待解決，如太陽磁活動周期的起源問題，太陽活動區(qū)全生命周期演化問題，高速太陽風(fēng)的起源問題，精準穩(wěn)定預(yù)測空間天氣等。美國等航天強國仍在持續(xù)推進太陽空間探測任務(wù)，以推進太陽物理及空間天氣預(yù)報的進一步發(fā)展。

2 太陽空間探測任務(wù)發(fā)展歷史

人類發(fā)射空間探測器探測太陽具有悠久的歷史，1960年3月11日，美國發(fā)射了人類歷史上第一顆太陽探測器，從此揭開了人類太陽空間探測的序幕。圖1給出了國際上49次空間太陽探測任務(wù)發(fā)射歷程，這些探測活動推動了空間科學(xué)和空間天氣預(yù)報的進步，而國內(nèi)太陽空間探測以系統(tǒng)方案論證、技術(shù)試驗和搭載探測為主，與美、歐、日、俄存在一定的差距。

早期太陽探測任務(wù)由于技術(shù)的限制，多以日地連線探測為主，關(guān)注太陽基礎(chǔ)特性的研究、太陽活動的長期變化和快速變化以及太陽對地球的影響；載荷配置多為太陽輻射流量探測、粒子和場探測類載荷，輔以少量成像探測載荷。這一階段典型代表如太陽輻射監(jiān)測衛(wèi)星(Solrad)、軌道太陽觀測臺(OSO)，兩者對太陽X射線、γ射線及紫外輻射進行了整個太陽周期的連續(xù)監(jiān)測，預(yù)報太陽質(zhì)子和電子事件，為深空探測或載人登月提供險情預(yù)報。

隨著技術(shù)的發(fā)展以及探測需求的擴展，太陽探測目標逐漸深化，太陽物理和空間天氣預(yù)報并重，探測手段也由早期的就位探測發(fā)展為遙感成像探測和就位探測相結(jié)合，注重對日地耦合過程和因果關(guān)系的研究，對探測要素的全面性要求越來越高，有效載荷逐漸向多要素、多波段綜合探測方向發(fā)展。典型代表如尤利西斯探測器(Ulysses)和太陽與日球?qū)佑^測臺衛(wèi)星(SOHO)。前者飛離黃道面對太陽高緯區(qū)域開展就位探測；后者攜帶了大量遙感成像載荷和就位探測載荷，對太陽磁場、太陽大氣速度場、日冕、太陽耀斑等進行可見光波段、極紫外波段及X射線波段的成像觀測，同時開展磁場和粒子探測，用以研究太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及動力學(xué)、日冕加熱及太陽風(fēng)加速等重大科學(xué)問題，研究日地耦合過程和因果關(guān)系。

圖1 空間太陽探測發(fā)展歷程Fig.1 Development of space solar exploration

近年來，在航天技術(shù)和載荷技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)上，太陽探測開始嘗試抵近探測和多角度探測，將日地系統(tǒng)作為一個相互聯(lián)系的整體進行研究，揭示內(nèi)在規(guī)律。有效載荷配置覆蓋了太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)、光球?qū)印⑸驅(qū)?、過渡區(qū)、日冕、行星際空間及地球附近的探測需求。典型代表如帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)和日地關(guān)系觀測臺(STEREO)，前者首次飛越高層日冕大氣，對形成中的太陽風(fēng)進行采樣，研究太陽風(fēng)加速及能量傳輸與耗散機制；后者則從兩個視角嘗試對太陽開展多角度探測，研究CME觸發(fā)機制及在日球?qū)觽鞑ズ脱莼?guī)律，并對到達地球的CME進行提前預(yù)報。

3 典型空間太陽探測任務(wù)

歷史上太陽探測任務(wù)眾多，取得了豐碩的探測成果。這里考慮時間跨度、任務(wù)特點、成果影響等方面，選取具有一定代表性的太陽探測任務(wù)進行介紹。

3.1 先驅(qū)者號探測器(Pioneer)

先驅(qū)者計劃是美國的一系列無人行星探測任務(wù)，其中Pioneer 5原本的任務(wù)是在1959年前后探測金星或火星，因錯過了發(fā)射窗口，改為磁場探測。該衛(wèi)星在1960年3月底，探測到一場太陽耀斑的爆發(fā)，在該過程中記錄到了能量為75 MeV的質(zhì)子以及能量為13 MeV的電子。

Pioneer 6、7、8、9是功能和任務(wù)相近的航天器，任務(wù)是對太陽風(fēng)、磁場和宇宙射線進行為期6個月的觀測和研究。由TRW公司建造，運行于太陽公轉(zhuǎn)軌道，單星重約63 kg，功率約75 W，采用自旋穩(wěn)定，每分鐘自旋60圈，自旋軸垂直于黃道面。主要天線是一個高增益定向天線，具有512、256、64、16、8 bit/s五種速率傳輸模式。該系列探測器首次在空間觀測到太陽風(fēng)和太陽磁場。在阿波羅登月期間，這4個航天器還被NASA用來提供每小時更新的太陽活動數(shù)據(jù)，以防意外增強的太陽中子危害宇航員。

3.2 軌道太陽觀測臺(OSO)

Orbiting Solar Observatory(OSO)是美國太陽觀測天文衛(wèi)星系列任務(wù)。1962年3月到1975年6月共發(fā)射8顆。它們的主要任務(wù)是通過對太陽的紫外線、X射線和γ射線輻射、日冕、耀斑等進行綜合性觀測，系統(tǒng)而連續(xù)地研究太陽的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)過程、化學(xué)成分、黑子周期，太陽活動的長期變化和快速變化以及太陽對地球的影響，預(yù)測太陽質(zhì)子事件，為深空探測或載人月球探測提供險情預(yù)報。

衛(wèi)星載荷主要包括：X射線分光計、太陽γ射線探測器、太陽紫外分光計、紫外掃描單色儀、質(zhì)子和電子探測器、太陽X射線和遠紫外單色光照相儀、氫Lα望遠鏡、氦Ⅱ單色光照相儀、宇宙線探測器、地球反照率探測器等。

OSO單星200～1 064 kg，運行在高度約 550 km、傾角為33°的近圓軌道上。衛(wèi)星由九邊形的輪部和半圓形的帆部構(gòu)成，輪部以每分鐘30轉(zhuǎn)穩(wěn)定自旋，帆部指向太陽[1]。科學(xué)儀器分別布置于輪部和帆部，帆高約58 cm。平臺部分利用氮氣噴管以30轉(zhuǎn)/分的速度繞垂直于衛(wèi)星與太陽的連線自旋穩(wěn)定，以便載荷進行掃描觀測。

OSO-4、5、6取得了284～1 400埃范圍的太陽光譜和寧靜日冕、活動區(qū)、耀斑的X射線光譜，以及極紫外太陽單色像，OSO-6能在8 min內(nèi)繪制整個太陽單色像，OSO-7號衛(wèi)星的分辨角達到了20″。軌道太陽觀測臺系列持續(xù)觀測了周期為11年的整個太陽活動周，獲得了大量測量資料。

3.3 太陽神號(Helios 1、2)

太陽神號(Helios 1、2)是聯(lián)邦德國與美國合作研制的空間探測器系列衛(wèi)星。主要任務(wù)是研究太陽、太陽-行星關(guān)系和水星軌道以內(nèi)的近日行星際空間，探測太陽風(fēng)、行星際磁場、宇宙線、微流星體等。

衛(wèi)星載荷主要包括：等離子體探測器、磁通門式磁強計、線圈式磁強計、射電探測儀、空間望遠鏡、電子探測儀、黃道光光度計、微流星體分析器。

1974年12月10日發(fā)射的“太陽神”1號，到達近日點為0.309天文單位(約4 635萬千米)的日心軌道。1976年1月15日發(fā)射的“太陽神”2號，到達近日點0.29天文單位的日心軌道，比以前所有的空間探測器都更接近太陽。衛(wèi)星遠日點1個天文單位，軌道周期180天。探測器能承受很高的太陽輻射熱負荷，它的天線系統(tǒng)拋物面反射器的溫度達到400℃，太陽電池在128℃時仍能正常工作。探測器高約3.4 m，中間直徑1.75 m，兩端直徑2.74 m，1號質(zhì)量374 kg，2號質(zhì)量376.5 kg，工作壽命約18個月。衛(wèi)星平臺采用自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，用高增益機械消旋天線對地球定向。太陽神號探測器獲得了太陽活動11年周期中最低點和最高點的良好環(huán)境數(shù)據(jù)，尤其是對太陽風(fēng)的產(chǎn)生和加速機制、行星際介質(zhì)和宇宙射線等提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。

3.4 尤利西斯探測器(Ulysses)

Ulysses是NASA和ESA聯(lián)合發(fā)射的太陽觀測衛(wèi)星，于1990年10月6日發(fā)射，主要目的是進行太陽極區(qū)觀測?？茖W(xué)目標為：研究行星際磁場和太陽風(fēng)的全球三維特性；研究太陽風(fēng)的起源，太陽耀斑中能量粒子的加速；研究銀河宇宙射線以及星際塵埃性質(zhì)與日球?qū)泳S度的關(guān)系；在飛躍木星期間，測量木星磁層，搜索gamma暴的來源[2]。

Ulysses的科學(xué)載荷包括磁強計(VHM/FGM)[3]、太陽極區(qū)太陽風(fēng)等離子體測量儀(SWOOPS)[4]、太陽風(fēng)離子成分譜儀(SWICS)[5]、射電波和等離子體波探測儀(URAP)[6]、能量粒子成分/行星際中性氣體探測儀(EPA/GAS)[7]、日球?qū)拥湍芄庾V、成分和各向異性探測儀(HI-SCALE)、宇宙線和太陽粒子探測儀(COSPIN)[8]、太陽射線和伽馬射線暴探測儀(GRB)[9]和宇宙塵埃探測儀(DUST)[10]。

Ulysses發(fā)射后在295 km的軌道高度上釋放，隨后二級發(fā)動機點火，將探測器送入近日點約1 AU，遠日點約17 AU，軌道面與黃道面夾角為2°的一個大橢圓轉(zhuǎn)移軌道。Ulysses體積為3.2 m×3.3 m×2.1 m，發(fā)射總質(zhì)量是367 kg，包括55 kg的有效載荷和33.5 kg的推進劑。采用自旋穩(wěn)定平臺(每分鐘5轉(zhuǎn))，自旋軸指向地球。主體是箱式結(jié)構(gòu)，安裝有一個對地定向的直徑為1.65 m的碟形高增益天線(HGA)，用于和地面通信，另外還安裝有放射性同位素電源(RTG)，探測器全部的電能是由該同位素溫差電池提供的，任務(wù)開始時大約提供280 W電能，在標稱任務(wù)結(jié)束時(2001年12月)減少到大約220 W。

Ulysses共3次(1994/1995年、2000/2001年、2007/2008年)飛過太陽極區(qū)，其第一軌飛行軌跡如圖2所示。該探測器更加精準地測量了太陽南北極溫度的差異以及太陽風(fēng)在緯度上的差異。

3.5 太陽與日球?qū)佑^測臺(SOHO)

SOHO衛(wèi)星于1995年12月2日由NASA和ESA聯(lián)合發(fā)射，由服務(wù)艙和有效載荷艙組成，總質(zhì)量1 850 kg，其主要科學(xué)目標包括：通過觀測速度震蕩和輻射變化，研究太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；利用成像和光譜診斷方法，觀察日冕加熱和太陽風(fēng)加速的物理過程[12]。

衛(wèi)星載荷配置包括太陽全球低頻測振儀(GOLF)[13]、太陽輻射變化及引力振動探測儀(VIRGO)、日震成像儀(MDI)、太陽紫外輻射測量儀(SUMER)、日冕診斷光譜儀(CDS)、極紫外成像儀(EIT)、紫外日冕光譜儀(UVCS)、廣角分光日冕儀(LASCO)、荷電成分及同位素分析系統(tǒng)(CELIAS)、超熱能量粒子綜合分析儀(COSTEP)、高能核及電子分析儀(ERNE)和太陽風(fēng)各向異性探測儀(SWAN)。

SOHO衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定平臺。衛(wèi)星指向精度10″，指向穩(wěn)定度1″/15 min。整星功耗1 400 W，其中載荷功耗440 W，星上具備1 Gbit磁帶錄音機和2 Gbit固態(tài)存儲器。

SOHO的運行軌道如圖3所示，運行時一面始終朝向太陽，另一面朝向地球，可以24 h全天候觀測太陽。暈軌道對地球張角明顯大于太陽圓盤的張角，從地球看，探測器是在太陽圓盤外圍繞太陽運行，在地球上接收探測器信號時可使地面天線波束避開太陽，免受太陽強烈電磁輻射干擾。另外，L1點的暈軌道與地球相比可以提前感知太陽爆發(fā)，可提前40 min為地球及航天活動做出預(yù)警。

圖3 SOHO的運行軌道Fig.3 SOHO orbit

SOHO首次發(fā)現(xiàn)了Tachocoline層，進一步解釋太陽活動周的磁場演化特征；太陽耀斑的日冕波動；日冕中小尺度磁重聯(lián)以及日冕物質(zhì)拋射的精細觀測[14]。

3.6 日出太陽探測衛(wèi)星(Hinode)

Hinode為JAXA主導(dǎo)的國際合作項目，NASA、ESA均參與了研制。Hinode于2006年發(fā)射，其科學(xué)目標為：研究小尺度三維矢量磁場的結(jié)構(gòu)，研究日冕大氣加熱過程，以及磁場能量輸運過程。

Hinode的科學(xué)載荷包括太陽光學(xué)望遠鏡(SOT)、X射線望遠鏡(XRT)和極紫外成像譜儀(EIS)，主要用于高分辨率太陽磁場觀測，在可見光、極紫外和X射線波段觀測太陽光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰醄15]。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量893 kg，采用三軸穩(wěn)定對日定向，運行于680 km×701 km、98.1°太陽同步軌道，設(shè)計壽命3年，整星功率1 000 W。衛(wèi)星收攏狀態(tài)下，體積約2.0 m×1.6 m×3.8 m，姿態(tài)穩(wěn)定度0.1″/10 s，指向精度0.05°，固態(tài)存儲器容量8 Gbit。由于在軌工作狀態(tài)良好，后延壽使用至2017年底。衛(wèi)星采用X波段進行科學(xué)數(shù)據(jù)下傳，下載速率4 Mbit/s，2007年，X波段調(diào)制器發(fā)生故障，衛(wèi)星轉(zhuǎn)由S波段高速備份線路進行數(shù)據(jù)下傳，下傳速率轉(zhuǎn)為X波段的1/16。

Hinode主要進行磁場及日冕物質(zhì)加熱的探測。首次進行極區(qū)幾千高斯磁場的探測，以及暗條湍動結(jié)構(gòu)和瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的觀測；進一步研究了日冕中橫向MHD波的加熱。

3.7 日地關(guān)系觀測臺(STEREO)

STEREO是NASA日地探測計劃(STP)的第3個任務(wù)，于2007年5月30日發(fā)射。主要科學(xué)目標為：研究日冕物質(zhì)拋射的觸發(fā)機制；觀測日冕物質(zhì)拋射在日球?qū)拥膫鞑ヌ攸c；探測能量粒子在低日冕區(qū)和行星際介質(zhì)中的加速機制；研究太陽磁場的三維結(jié)構(gòu)、時間演化模型以及太陽風(fēng)的局地密度、溫度和速度結(jié)構(gòu)[16]。

STEREO的科學(xué)載荷包括極紫外成像儀(EUVI)、白光日冕儀(COR)、日球成像儀(HI)、離子和CME瞬時局地探測器(IMPACT)、等離子體和超熱離子成分探測器(PLASTIC)、射電波爆發(fā)探測器(SWAVES)。

STEREO由兩顆幾乎相同的衛(wèi)星組成。在發(fā)射后的3個月內(nèi)，在地月系統(tǒng)，STEREO-A和STEREO-B分別經(jīng)過月球引力場借力飛行，獲得必需的能量，最終達到環(huán)繞太陽軌道。在此軌道上，兩顆衛(wèi)星以每年45°的速度相互逐漸分離。STEREO-A距離太陽稍近，軌道周期346天；STEREO-B距離太陽稍遠，軌道周期388天。兩顆衛(wèi)星的相互分離可以實現(xiàn)對太陽以及日冕物質(zhì)拋射(CME)的真正三維觀測。

STEREO首次進行日冕磁環(huán)的三維重構(gòu)；進一步觀測行星際日冕物質(zhì)拋射傳播過程。

3.8 太陽動力學(xué)觀測臺(SDO)

SDO于2010年2月11日發(fā)射，其科學(xué)目標為：研究太陽磁活動周期的起源；太陽磁場不同尺度的演化和太陽輻射與磁場的關(guān)系以及空間天氣預(yù)報模式的研究；研究日冕物質(zhì)拋射、暗條爆發(fā)、太陽耀斑和粒子加速中的磁場結(jié)構(gòu)。

SDO的科學(xué)載荷配置包括日震和磁場成像儀(HMI)[17]、極紫外變化實驗儀(EVE)[18]和太陽大氣集成成像儀(AIA)[19]。

SDO采用三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺，整星包絡(luò)尺寸2.2 m×2.2 m×4.7 m，發(fā)射質(zhì)量為3 000 kg，其中衛(wèi)星平臺1 300 kg，燃料1 400 kg，儀器300 kg，整星功率1 500 W。SDO所處軌道為經(jīng)度102°(W)、傾角28°的傾斜地球同步軌道(IGSO)，此軌道的星下點軌跡為“8”字形。太陽同步軌道(SSO)或地球低軌軌道(LEO)也可以對太陽連續(xù)觀測，但需要很多臺站或者需要有儲存大量數(shù)據(jù)能力的存儲器，SDO數(shù)據(jù)率很大，沒有相應(yīng)的存儲器，因此選擇IGSO軌道。

SDO首次發(fā)現(xiàn)太陽內(nèi)部多層子午環(huán)流；太陽耀斑的極紫外延遲相；自發(fā)磁重聯(lián)現(xiàn)象和太陽龍卷風(fēng)現(xiàn)象。

3.9 帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)

Parker Solar Probe主要研究日冕加熱和太陽風(fēng)加速的能量粒子的過程。研究太陽能量粒子如何傳輸并且耗散在日冕和太陽風(fēng)的；測定太陽風(fēng)起源處等離子體和磁場的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)；研究太陽源區(qū)的磁場如何與光球?qū)雍腿涨驅(qū)勇?lián)系；探測能量粒子加速和傳播機制[20]。

Parker Solar Probe的科學(xué)載荷包括電場、磁場、等離子體波探測包(FIELDS)[21]、太陽科學(xué)探測集成設(shè)備(ISIS)[22]、大視場成像儀(WISPR)[23]和太陽風(fēng)電子、質(zhì)子、α粒子探測儀(SWEAP)[24]。

Parker Solar Probe最大發(fā)射質(zhì)量 610 kg，其中科學(xué)儀器約50 kg，燃料約52 kg。衛(wèi)星采用正六棱柱構(gòu)型，本體長3 m，直徑2.3 m。采用C-C熱防護系統(tǒng)和帶主動水冷系統(tǒng)的太陽陣，太陽陣總面積1.8 m2，在近日點具備343 W 發(fā)電能力。衛(wèi)星散熱器3.8 m2。通信采用Ka波段下行科學(xué)數(shù)據(jù)，X波段測控，具有0.6 m高增益天線和低增益全向天線，1 AU處科學(xué)數(shù)據(jù)下行速率 138 kbit/s。探測器將覆蓋11年太陽周期的一半以上，并且每年經(jīng)過近日點3～4次。在近7年的任務(wù)期間內(nèi)，經(jīng)過24個軌道周期，近日點距離將在24圈軌道中逐漸從35R⊙降低到9.86R⊙。在21個軌道周期中，探測器距太陽中心的距離將小于30R⊙，在19個軌道周期中，距太陽中心的距離將小于20R⊙。

衛(wèi)星主要結(jié)構(gòu)均裝在厚度為11 cm，直徑為2.3 m的C-C熱保護系統(tǒng)后面，以保護其免受極端太陽環(huán)境的影響，并使其能夠在標準空間熱環(huán)境下運行，而熱保護系統(tǒng)對日面溫度最高可達1 400℃。帕克號利用主動冷卻的太陽能電池陣列進行發(fā)電，將太陽能電池保持在所需的溫度限制內(nèi)。

Parker Solar Probe發(fā)現(xiàn)了太陽風(fēng)中磁場的彎折現(xiàn)象；首次證實了近日無塵區(qū)的存在；研究了磁重聯(lián)和冕流中的小尺度結(jié)構(gòu)；進一步研究近日點太陽風(fēng)中的電磁場的起伏現(xiàn)象。

3.10 太陽軌道器(Solar Orbiter)

Solar Orbiter由ESA發(fā)起，由NASA提供火箭，于2020年2月成功發(fā)射。任務(wù)的科學(xué)目標致力于研究太陽風(fēng)等離子體和日冕中磁場的起源；太陽的短時標活動現(xiàn)象如何驅(qū)動太陽日球?qū)右约翱臻g天氣變化；太陽爆發(fā)怎樣產(chǎn)生充滿日球空間的高能粒子輻射；太陽發(fā)電機如何工作[25]。

Solar Orbiter的科學(xué)載荷包括太陽風(fēng)等離子體分析儀(SWA)[26]、能量粒子探測儀(EPD)、磁強計(MAG)[27]、無線電和等離子體波分析儀(RPW)[28]、偏振和日震成像儀器(PHI)[29]、極紫外成像儀(EUI)[30]、X射線成像望遠鏡(STIX)、用于成像和光譜學(xué)的多元素望遠鏡(METIS)[31]、日球?qū)映上駜x(SoloHI)和日冕環(huán)境空間光譜成像儀(SPICE)。

Solar Orbiter 運行期由7年主任務(wù)期和3年延長任務(wù)期組成。探測器發(fā)射入軌后，將利用地球和金星的引力輔助軌道機動來變軌，其中，第2次金星借力后，探測器近日點為0.284 AU，軌道和金星軌道達到4∶3共振，探測器第1次達到近日點需3.5年。每次金星借力后，軌道傾角逐漸增加，軌道共振比依次變?yōu)?∶3、4∶3、3∶2、5∶3。探測器最終達到的任務(wù)軌道周期為168天，近日點為0.28 AU，傾角為25°。在任務(wù)延長期，傾角經(jīng)過金星借力進一步增加，最終達到34°。

Solar Orbiter大小為2.5 m×3.0 m×2.5 m，采用三軸穩(wěn)定平臺，指向穩(wěn)定性高于3″/15 min。為了保護探測器，設(shè)計了一面朝向太陽的熱盾，這也是近距離探測太陽的關(guān)鍵所在。熱盾由多層多種材料組成：最外層是可以承受500℃高溫的絕熱碳纖維材料，中間是多達30層、共5 cm厚的鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)，可以承受300℃的高溫，內(nèi)側(cè)是10層1.5 mm厚的鈦合金，阻隔來自太陽的熱輻射[32]。

4 太陽空間探測進展分析

(1)太陽探測任務(wù)由單一要素探測向復(fù)雜多要素探測方向發(fā)展

太陽空間探測的起步階段，探測器規(guī)模小、質(zhì)量輕、功耗低，技術(shù)相對簡單，受探測器規(guī)模及能力限制，探測任務(wù)多以探測太陽輻射特性、粒子和場為主，輔以少量成像探測。在太陽探測器后續(xù)的發(fā)展過程中，探測器逐漸復(fù)雜，規(guī)模不斷增大，對探測要素的全面性要求越來越高，任務(wù)由單一性探測向復(fù)雜多要素探測發(fā)展。早期如先驅(qū)者系列探測器(Pioneer)，主要對太陽風(fēng)、行星際磁場開展探測，而今典型代表如Solar Orbiter，攜帶了大量載荷，就位探測與遙感成像探測并重，探測要素及探測精度都有非常顯著的提升。

(2)探測軌道更加多樣化

隨著技術(shù)進步和探測需求的提高，探測方式逐漸多樣化。由早期運載直接發(fā)射進入目標軌道，發(fā)展出了通過天體借力、自身變軌等方式，實現(xiàn)太陽抵近探測、脫離黃道面的高傾角太陽探測以及多角度探測等多種探測方式。

日地連線方向探測工程難度較低，具體包括地球軌道探測和L1點探測，其中，地球軌道太陽探測器的主要優(yōu)勢為可實現(xiàn)更大的發(fā)射重量，承載更多的載荷，并實現(xiàn)更高的對地通信速率，用以獲得更多的科學(xué)數(shù)據(jù)。日地L1點作為地球前哨站，可提前40 min為地球空間災(zāi)害天氣做出預(yù)警，其空間環(huán)境預(yù)警功能顯著；此外由于位于地球和太陽之間，可對日面進行24 h連續(xù)不間斷觀測，對日面爆發(fā)活動可以提前進行預(yù)報。

高傾角日心軌道探測，可脫離黃道面的限制，飛越極區(qū)上空對太陽極區(qū)及中高緯度區(qū)域進行探測；此外，利用極軌軌道視角優(yōu)勢可從黃道面的上(下)方居高臨下觀測日地空間能量和物質(zhì)的傳輸演化，有利于對地球空間天氣及日球?qū)拥挠绊懽鞒龈鼫蚀_的預(yù)報。

太陽抵近探測可直接飛越太陽高層大氣，實現(xiàn)就位采樣，對研究太陽風(fēng)加速及能量傳輸與耗散提供直接觀測證據(jù)；此外太陽抵近成像能極大提高對小尺度太陽爆發(fā)現(xiàn)象和磁場重聯(lián)耗散區(qū)精細結(jié)構(gòu)觀測的靈敏度，對研究磁場起源和能量釋放機制具有獨特優(yōu)勢；在工程方面，抵近成像可在相同觀測分辨情況下大大降低望遠鏡口徑，從而降低系統(tǒng)整體偏振定標難度來提高磁場測量精度，更容易做到高分辨率和高磁場精度需求的兼顧。

多角度探測從不同視角同時觀測太陽，可對太陽活動進行多視角成像，開展三維結(jié)構(gòu)研究，并可連續(xù)跟蹤活動區(qū)長期演化規(guī)律；研究日地空間CME結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律，提前預(yù)報到達地球的CME。

(3)有效載荷向高精度、多要素探測發(fā)展

探測要素更加豐富。有效載荷從最初的原位探測，發(fā)展至磁場和速度場成像、極紫外和高能成像、日冕和日球?qū)映上窦肮庾V探測。

探測精度、時空分辨率等顯著提升。日震觀測從低階模式振動觀測，過渡至中階、高階模式振動觀測；極紫外和高能觀測從流量監(jiān)測、光譜觀測逐漸延伸到成像與光譜觀測結(jié)合；日冕儀空間分辨率、視場、時間分辨率以及任務(wù)持續(xù)時間持續(xù)提升；粒子和場探測器向著更高的探測精度、更高的時空分辨率發(fā)展；光譜分辨率顯著提升。

(4)航天器技術(shù)進步推動復(fù)雜探測任務(wù)發(fā)展

探測器承載能力逐漸提升。重量、功率持續(xù)增大，允許攜帶更多、更復(fù)雜、更大型的太陽探測載荷，具備更強的科學(xué)探測和空間天氣預(yù)報能力。

高溫?zé)岱雷o技術(shù)的發(fā)展使太陽抵近探測成為可能。太陽抵近探測需要探測器抵達9.5個太陽半徑的位置，在500倍于地球軌道附近的熱流密度下開展探測，高溫?zé)岱雷o技術(shù)助力帕克太陽探測器實現(xiàn)這一目標，取得重要科學(xué)成果。

高精度姿態(tài)控制，對高分別率成像觀測提供支撐。姿態(tài)控制從自旋穩(wěn)定發(fā)展到三軸穩(wěn)定；從僅支持粒子與磁場探測，發(fā)展到支持高精度成像探測。Hinode平臺姿態(tài)穩(wěn)定度達0.2″，穩(wěn)像精度達0.007″，對于實現(xiàn)日面140 km成像分辨率提供了強力技術(shù)支撐。

5 太陽空間探測發(fā)展展望

太陽空間探測發(fā)展至今，由于沿日地連線方向觀測等的限制，在太陽物理學(xué)和空間天氣預(yù)報方面遇到了發(fā)展瓶頸，國際上已經(jīng)開始針對太陽多視角以及極區(qū)探測進行了任務(wù)規(guī)劃，美國、歐洲已開始規(guī)劃針對日地L5、L4、太陽遠端、太陽極區(qū)的探測項目，試圖從不同方位和視角對太陽進行深入研究。

從多個不同視角對太陽進行觀測，可以獲取全方位、多要素的太陽磁場和太陽活動全周期數(shù)據(jù)，使人類有機會對一顆恒星的整體特性進行全面研究，對太陽和日球復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)建可靠的物理模型。同時，從多視角開展多波段立體探測，可提供數(shù)值預(yù)報模型的初始和邊界條件，進而量化災(zāi)害性空間天氣事件的誕生、發(fā)展、傳播和影響過程。

展望未來，太陽空間探測將向著多視角、多要素、高精度方向發(fā)展，進一步揭示太陽磁場和活動周產(chǎn)生機制、太陽活動驅(qū)動機制、太陽高能粒子加速機制和太陽作為一顆恒星的活動規(guī)律，并在認知太陽活動對全日球空間天氣和空間氣候的影響、建立災(zāi)害性空間天氣預(yù)報模式等方面發(fā)揮重要作用。