歐洲太陽抵近探測任務分析

馬楠 王帥

（1 中國空間技術研究院 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、美國國家航空航天局（NASA）參與實施的太陽抵近探測任務——“太陽軌道器”（Solar Orbiter，SolO）發(fā)射升空?！疤栜壍榔鳌迸c太陽的距離最近僅為60個太陽半徑，即約0.28個天文單位（AU），對日球層和太陽風進行詳細測量，并對太陽的極地區(qū)域進行近距離觀測，從而揭示日球層的產生和變化?！疤栜壍榔鳌睂⑹状潍@取太陽極區(qū)的圖像，增進對太陽的認知，并幫助更好地了解和預測空間天氣。

1 任務背景

“太陽軌道器”是一項致力于太陽和日球物理學研究的任務，最早于2000年10月由ESA科學計劃委員會選定，經(jīng)過ESA內部和航天工業(yè)超過10年的研究，形成了成熟、詳細的設計方案，并于2011年被選定為ESA“宇宙愿景2015—2025”（Cosmic Vision 2015—2025）計劃的首個中型任務，即M1任務。

NASA和ESA在“太陽軌道器”任務中進行了深度合作。2012年3月，NASA與ESA簽署了一項關于“太陽軌道器”任務合作的諒解備忘錄。NASA不僅為任務提供了科學儀器以及用于發(fā)射的運載火箭，并且“太陽軌道器”還將與NASA的“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe）合作開展探測以增加兩個任務的科學產出。

“太陽軌道器”任務的總成本約為15億美元，其中包括NASA提供的科學儀器以及宇宙神－5（Atlas－5）運載火箭?！疤栜壍榔鳌庇砂⑺固乩锬饭荆ˋstrium）研制，最初定于2017年發(fā)射，經(jīng)過多次推遲后發(fā)射時間定為2020年2月。

“太陽軌道器”示意圖

2 任務目標

“太陽軌道器”旨在揭示日球層（太陽風吹到星際介質中的帶電粒子氣泡）如何工作以及太陽活動對其影響。航天器將采用原位探測與遙感觀測相結合的獨特測量組合，以將原位探測的結果與太陽表面的來源區(qū)域和結構聯(lián)系起來。

“太陽軌道器”將幫助人們了解太陽如何產生和控制圍繞整個太陽系并影響其中行星的巨大等離子體氣泡。任務將集中于4個主要研究領域：①太陽風和日冕磁場；②突發(fā)的太陽事件及其影響；③太陽噴發(fā)及其產生的高能粒子；④太陽磁場的產生。

上述研究將著手回答4個頂級科學問題：①太陽風以及日冕磁場是從哪里產生的？②太陽瞬變如何驅動日球層變化？③太陽噴發(fā)如何產生充滿日球層的高能粒子輻射？④“太陽發(fā)電機”如何工作并驅動太陽與日球層之間的連接？

3 航天器基本情況

航天器設計

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

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

為保障科學目標的同時降低任務成本，“太陽軌道器”繼承了“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）等先前任務的技術，例如可旋轉太陽電池板技術、耐高溫高增益天線技術等。

“太陽軌道器”性能參數(shù)

“太陽軌道器”結構

“太陽軌道器”攜帶的10個科學儀器中，其中8個由ESA成員國資助完成，1個由歐洲牽頭的財團提供，1個由NASA提供。

“太陽軌道器”有效載荷

任務歷程

“太陽軌道器”計劃進入0.28AU×1.2AU的大橢圓環(huán)日軌道，軌道周期約為5個月，將提供對太陽的近距離、高緯度觀測。標稱任務時間為7年，可能的擴展任務時間為3年。

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

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

隨后，“太陽軌道器”還將利用金星借力不斷提高軌道傾角，最終在標稱的7年任務時間結束時將相對于黃道面的軌道傾角提高至24°，如果開展擴展任務則最多將軌道傾角提高至33°。

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

“太陽軌道器”飛行歷程

4 任務特點分析

對太陽開展近距離探測，獲得首張?zhí)枠O區(qū)圖像

“太陽軌道器”是歐洲開展的首次太陽抵近探測任務，最接近太陽處約為4.2×107km，比水星更接近太陽。此前僅有美國于2018年發(fā)射了全球首個太陽抵近探測任務—“帕克太陽探測器”。盡管“太陽軌道器”沒有“帕克太陽探測器”距離太陽近，但其相對于黃道面的軌道傾角更大，能夠從更高緯度對太陽進行觀測，獲得首張?zhí)枠O區(qū)圖像。1990年發(fā)射的ESA與NASA合作開展的“尤里塞斯”（Ulysses）任務曾對太陽兩極進行了首次探測，但該任務沒有攜帶相機。

“太陽軌道器”將測量足夠接近太陽的太陽風等離子體、場、波和高能粒子。相比于在地球附近進行觀測，太陽抵近觀測允許航天器更好地觀測太陽表面特征以及其與日球之間的連接。此外，對太陽極區(qū)的觀測將有助于揭示太陽發(fā)電機產生太陽磁場的過程。

“太陽軌道器”將結合對太陽風的原位探測以及對太陽的遙感觀測。“太陽軌道器”攜帶的10個儀器組合，可支持和增強彼此的觀測結果，共同提供迄今為止有關太陽及其環(huán)境的最全面、最完整的視圖。特別的是，“太陽軌道器”在近日點附近的角速度將接近太陽自轉，即在近日點附近航天器將基本懸停在太陽大氣相同區(qū)域上方，因此能夠觀測到太陽大氣中可能導致強烈耀斑及其爆發(fā)的磁活動過程。

航天器可抵御太陽輻射，同時配合兩類儀器工作

“太陽軌道器”最接近太陽的距離為4.2×107km，承受的太陽熱量是地球軌道衛(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風粒子的不斷轟擊，因此抵御太陽輻射是航天器設計的關鍵?！疤栜壍榔鳌辈捎昧讼冗M的隔熱板、可旋轉太陽電池板和可折疊天線等技術防止過熱。同時，航天器還為不同儀器提供了進入太陽環(huán)境或者不受太陽環(huán)境影響的條件，以允許多個原位探測儀器和遙感觀測儀器同時工作。

為保護“太陽軌道器”免受極端高溫的影響，ESA、空客防務與航天公司（ADS）及其他工業(yè)合作伙伴共同開發(fā)了獨特的隔熱板技術。隔熱板的最外層為名為“太陽黑”（SolarBlack）的磷酸鈣制劑，具有極強的吸熱能力；下一層由20個薄薄的鈦層組成，可承受高達500℃的溫度；再后面是一個間隙，將熱量引導至側面并遠離航天器，跨過該間隙的唯一硬件是10個支架，將隔熱板的頂層連接到基座?；旧硎且粋€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10個1.5mm薄的鈦“葉片”固定在航天器上，以實現(xiàn)最小化熱量傳遞。

所有的科學儀器位于隔熱板后面，但為了完成探測任務，還需要能夠觀測到太陽，或者至少能夠觀測太陽附近的空間區(qū)域。對于原位探測儀器，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的儀器則裝備微型隔熱板或防護裝置。對于遙感儀器，隔熱板上裝備有小的滑動門裝置，可以讓光進入內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儀器。其中有2個遙感儀器比較特殊，SPICE允許所有光線進入并在內部過濾掉不需要的內容，而SoloHI則不直接觀測太陽，而是觀測隔熱板的側面。

ESA與NASA開展深度合作，共同推進對太陽的認知

ESA與NASA在太陽探測方面有著長期的合作伙伴關系，雙方一直在共同推進人類對于太陽的認知。在ESA牽頭的“太陽軌道器”任務中，NASA提供了1個科學儀器以及搭載航天器的運載火箭。此外，ESA的“太陽軌道器”將與NASA的“帕克太陽探測器”在研究太陽方面緊密配合。

“帕克太陽探測器”的載荷比“太陽軌道器”小，但更接近太陽，“帕克太陽探測器”最終計劃飛越距離太陽表面6.2×106km處。“帕克太陽探測器”可以對太陽的日冕進行采樣，并瞄準日冕等離子體脫離而形成太陽風的空間區(qū)域。這將為科學家提供有關該區(qū)域等離子體情況，并有助于查明其如何向外加速。但“帕克太陽探測器”沒有可以直接觀測太陽的相機，當前沒有任何技術可以從這樣的近距離觀測太陽。這部分信息將由“太陽軌道器”補充。

“太陽軌道器”可以為“帕克太陽探測器”提供背景信息，以增進對“帕克太陽探測器”原位測量結果的理解。通過這種方式的合作，兩個航天器將收集互補的數(shù)據(jù)集，這將使這兩項任務能夠獲得比任何一項單獨實施的科學任務更多的科學成果。

5 小結

探測太陽有助于了解人類自身生存環(huán)境，應實施相關任務

太陽探測一直以來都是日地物理學研究的熱點，不僅有助于解答宇宙形成等基礎科學問題，牽引航天技術的發(fā)展，同時具有十分重要的現(xiàn)實意義，即通過觀測太陽更好地了解和預測空間天氣，進而減少其危害。美國、歐洲長期以來實施了包括“尤里塞斯”、“風”（Wind）、“太陽與日光層觀測臺”（SOHO）等多項太陽觀測任務，日本也曾發(fā)射太陽觀測衛(wèi)星，印度近期也計劃實施位于日地拉格朗日L1點的太陽觀測任務。

我國近年來實施了多項科學探索任務，覆蓋了天文觀測、月球與行星探測等多個領域，但全面性尚不足，不利于推動航天技術的全面發(fā)展。太陽探測對于了解和預測空間天氣具有重要的意義，因此我國應適時開展太陽探測任務。需要注意的是，科學任務方案設計時應厘清科學目標，避免重復探索，以實現(xiàn)科學成果的最大化。

科學探索任務具有全球共享特性，應注重國際合作

由于科學探索的目的是促進科學發(fā)展、推動全人類文明，科學探索任務的很多數(shù)據(jù)往往在一段時間后就向整個科學界公布，其探測成果具有一定的全球共享特性。因此各國在實施任務過程中通常會引入國際協(xié)調與合作機制，避免重復探索，同時降低成本和風險，共同服務人類科學發(fā)展。在太陽探測方面，歐洲和美國一直緊密協(xié)作，開展了不同任務探測內容的協(xié)調、單項任務實施層面的合作。

我國在開展太陽探測任務時應注重與他國的國際協(xié)調與合作，共同推進人類文明與科學的進步，實現(xiàn)技術牽引、科技創(chuàng)新，發(fā)揚大國風范，推動我國國際合作發(fā)展的多重盈利。一方面，在科學探測內容上進行國際合作，避免重復探測的同時，與其他任務配合開展科學研究，進一步增強科學探測的價值；另一方面，在任務實施層面可通過國際合作降低成本和風險，同時為構建航天國際合作體系作出貢獻。