欧洲太阳抵近探测任务分析

马楠 王帅

（1 中国空间技术研究院 2 北京空间科技信息研究所）

2020年2月10日，欧洲航天局（ESA）牵头、美国国家航空航天局（NASA）参与实施的太阳抵近探测任务——“太阳轨道器”（Solar Orbiter，SolO）发射升空。“太阳轨道器”与太阳的距离最近仅为60个太阳半径，即约0.28个天文单位（AU），对日球层和太阳风进行详细测量，并对太阳的极地区域进行近距离观测，从而揭示日球层的产生和变化。“太阳轨道器”将首次获取太阳极区的图像，增进对太阳的认知，并帮助更好地了解和预测空间天气。

1 任务背景

“太阳轨道器”是一项致力于太阳和日球物理学研究的任务，最早于2000年10月由ESA科学计划委员会选定，经过ESA内部和航天工业超过10年的研究，形成了成熟、详细的设计方案，并于2011年被选定为ESA“宇宙愿景2015—2025”（Cosmic Vision 2015—2025）计划的首个中型任务，即M1任务。

NASA和ESA在“太阳轨道器”任务中进行了深度合作。2012年3月，NASA与ESA签署了一项关于“太阳轨道器”任务合作的谅解备忘录。NASA不仅为任务提供了科学仪器以及用于发射的运载火箭，并且“太阳轨道器”还将与NASA的“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe）合作开展探测以增加两个任务的科学产出。

“太阳轨道器”任务的总成本约为15亿美元，其中包括NASA提供的科学仪器以及宇宙神－5（Atlas－5）运载火箭。“太阳轨道器”由阿斯特里姆公司（Astrium）研制，最初定于2017年发射，经过多次推迟后发射时间定为2020年2月。

“太阳轨道器”示意图

2 任务目标

“太阳轨道器”旨在揭示日球层（太阳风吹到星际介质中的带电粒子气泡）如何工作以及太阳活动对其影响。航天器将采用原位探测与遥感观测相结合的独特测量组合，以将原位探测的结果与太阳表面的来源区域和结构联系起来。

“太阳轨道器”将帮助人们了解太阳如何产生和控制围绕整个太阳系并影响其中行星的巨大等离子体气泡。任务将集中于4个主要研究领域：①太阳风和日冕磁场；②突发的太阳事件及其影响；③太阳喷发及其产生的高能粒子；④太阳磁场的产生。

上述研究将着手回答4个顶级科学问题：①太阳风以及日冕磁场是从哪里产生的？②太阳瞬变如何驱动日球层变化？③太阳喷发如何产生充满日球层的高能粒子辐射？④“太阳发电机”如何工作并驱动太阳与日球层之间的连接？

3 航天器基本情况

航天器设计

“太阳轨道器”是一个指向太阳的三轴稳定航天器，携带有专用的隔热板，用于保护其免受近日点附近高水平的太阳辐射影响。

“太阳轨道器”发射质量约为1800kg，其中有效载荷质量约209kg；尺寸为2.5m×3.1m×2.7m，太阳电池翼展开后总长度为18m。航天器共携带6块太阳电池板，每块2.1m×1.2m，有效载荷功率为180W。仪器杆约为4.4m，3副无线电和等离子波天线为6.5m。

为保障科学目标的同时降低任务成本，“太阳轨道器”继承了“贝皮-科伦坡”（BepiColombo）等先前任务的技术，例如可旋转太阳电池板技术、耐高温高增益天线技术等。

“太阳轨道器”性能参数

“太阳轨道器”结构

“太阳轨道器”携带的10个科学仪器中，其中8个由ESA成员国资助完成，1个由欧洲牵头的财团提供，1个由NASA提供。

“太阳轨道器”有效载荷

任务历程

“太阳轨道器”计划进入0.28AU×1.2AU的大椭圆环日轨道，轨道周期约为5个月，将提供对太阳的近距离、高纬度观测。标称任务时间为7年，可能的扩展任务时间为3年。

2020年2月10日，“太阳轨道器”搭乘美国的宇宙神－5运载火箭从卡纳维拉尔角发射升空。发射后，系统和仪器将进行首次试运行，并将在6月首次飞越太阳，此时近日点距离约为日地距离的1/2。

在2021年11月之前，“太阳轨道器”将处于巡航阶段，期间进行2次金星借力以及1次地球借力，持续降低近日点距离，最终进入科学运行轨道。在巡航阶段，原位探测仪器将持续获取数据，而遥感仪器将进行校准。

随后，“太阳轨道器”还将利用金星借力不断提高轨道倾角，最终在标称的7年任务时间结束时将相对于黄道面的轨道倾角提高至24°，如果开展扩展任务则最多将轨道倾角提高至33°。

“太阳轨道器”的原位探测仪器将一直运行，而遥感仪器主要在近日点、相对于黄道面偏离最远的位置（即每周轨道上最大纬度和最小纬度的位置）附近轨道段运行。由于轨道的特性会在飞行中发生变化，因此不同的轨道段将专门处理特定的科学问题。

“太阳轨道器”飞行历程

4 任务特点分析

对太阳开展近距离探测，获得首张太阳极区图像

“太阳轨道器”是欧洲开展的首次太阳抵近探测任务，最接近太阳处约为4.2×107km，比水星更接近太阳。此前仅有美国于2018年发射了全球首个太阳抵近探测任务—“帕克太阳探测器”。尽管“太阳轨道器”没有“帕克太阳探测器”距离太阳近，但其相对于黄道面的轨道倾角更大，能够从更高纬度对太阳进行观测，获得首张太阳极区图像。1990年发射的ESA与NASA合作开展的“尤里塞斯”（Ulysses）任务曾对太阳两极进行了首次探测，但该任务没有携带相机。

“太阳轨道器”将测量足够接近太阳的太阳风等离子体、场、波和高能粒子。相比于在地球附近进行观测，太阳抵近观测允许航天器更好地观测太阳表面特征以及其与日球之间的连接。此外，对太阳极区的观测将有助于揭示太阳发电机产生太阳磁场的过程。

“太阳轨道器”将结合对太阳风的原位探测以及对太阳的遥感观测。“太阳轨道器”携带的10个仪器组合，可支持和增强彼此的观测结果，共同提供迄今为止有关太阳及其环境的最全面、最完整的视图。特别的是，“太阳轨道器”在近日点附近的角速度将接近太阳自转，即在近日点附近航天器将基本悬停在太阳大气相同区域上方，因此能够观测到太阳大气中可能导致强烈耀斑及其爆发的磁活动过程。

航天器可抵御太阳辐射，同时配合两类仪器工作

“太阳轨道器”最接近太阳的距离为4.2×107km，承受的太阳热量是地球轨道卫星的13倍，需要能够在500℃的高温下生存并承受高电荷太阳风粒子的不断轰击，因此抵御太阳辐射是航天器设计的关键。“太阳轨道器”采用了先进的隔热板、可旋转太阳电池板和可折叠天线等技术防止过热。同时，航天器还为不同仪器提供了进入太阳环境或者不受太阳环境影响的条件，以允许多个原位探测仪器和遥感观测仪器同时工作。

为保护“太阳轨道器”免受极端高温的影响，ESA、空客防务与航天公司（ADS）及其他工业合作伙伴共同开发了独特的隔热板技术。隔热板的最外层为名为“太阳黑”（SolarBlack）的磷酸钙制剂，具有极强的吸热能力；下一层由20个薄薄的钛层组成，可承受高达500℃的温度；再后面是一个间隙，将热量引导至侧面并远离航天器，跨过该间隙的唯一硬件是10个支架，将隔热板的顶层连接到基座。基座本身是一个5cm厚的铝蜂窝，上面覆盖着30层的低温绝缘层，可以承受300℃的温度。隔热板通过10个1.5mm薄的钛“叶片”固定在航天器上，以实现最小化热量传递。

所有的科学仪器位于隔热板后面，但为了完成探测任务，还需要能够观测到太阳，或者至少能够观测太阳附近的空间区域。对于原位探测仪器，一些仪器可以留在隔热板的阴影下，而另一些必须面向太阳的仪器则装备微型隔热板或防护装置。对于遥感仪器，隔热板上装备有小的滑动门装置，可以让光进入内部安装的遥感仪器中，特殊的窗户将阻挡大部分热量以保护仪器。其中有2个遥感仪器比较特殊，SPICE允许所有光线进入并在内部过滤掉不需要的内容，而SoloHI则不直接观测太阳，而是观测隔热板的侧面。

ESA与NASA开展深度合作，共同推进对太阳的认知

ESA与NASA在太阳探测方面有着长期的合作伙伴关系，双方一直在共同推进人类对于太阳的认知。在ESA牵头的“太阳轨道器”任务中，NASA提供了1个科学仪器以及搭载航天器的运载火箭。此外，ESA的“太阳轨道器”将与NASA的“帕克太阳探测器”在研究太阳方面紧密配合。

“帕克太阳探测器”的载荷比“太阳轨道器”小，但更接近太阳，“帕克太阳探测器”最终计划飞越距离太阳表面6.2×106km处。“帕克太阳探测器”可以对太阳的日冕进行采样，并瞄准日冕等离子体脱离而形成太阳风的空间区域。这将为科学家提供有关该区域等离子体情况，并有助于查明其如何向外加速。但“帕克太阳探测器”没有可以直接观测太阳的相机，当前没有任何技术可以从这样的近距离观测太阳。这部分信息将由“太阳轨道器”补充。

“太阳轨道器”可以为“帕克太阳探测器”提供背景信息，以增进对“帕克太阳探测器”原位测量结果的理解。通过这种方式的合作，两个航天器将收集互补的数据集，这将使这两项任务能够获得比任何一项单独实施的科学任务更多的科学成果。

5 小结

探测太阳有助于了解人类自身生存环境，应实施相关任务

太阳探测一直以来都是日地物理学研究的热点，不仅有助于解答宇宙形成等基础科学问题，牵引航天技术的发展，同时具有十分重要的现实意义，即通过观测太阳更好地了解和预测空间天气，进而减少其危害。美国、欧洲长期以来实施了包括“尤里塞斯”、“风”（Wind）、“太阳与日光层观测台”（SOHO）等多项太阳观测任务，日本也曾发射太阳观测卫星，印度近期也计划实施位于日地拉格朗日L1点的太阳观测任务。

我国近年来实施了多项科学探索任务，覆盖了天文观测、月球与行星探测等多个领域，但全面性尚不足，不利于推动航天技术的全面发展。太阳探测对于了解和预测空间天气具有重要的意义，因此我国应适时开展太阳探测任务。需要注意的是，科学任务方案设计时应厘清科学目标，避免重复探索，以实现科学成果的最大化。

科学探索任务具有全球共享特性，应注重国际合作

由于科学探索的目的是促进科学发展、推动全人类文明，科学探索任务的很多数据往往在一段时间后就向整个科学界公布，其探测成果具有一定的全球共享特性。因此各国在实施任务过程中通常会引入国际协调与合作机制，避免重复探索，同时降低成本和风险，共同服务人类科学发展。在太阳探测方面，欧洲和美国一直紧密协作，开展了不同任务探测内容的协调、单项任务实施层面的合作。

我国在开展太阳探测任务时应注重与他国的国际协调与合作，共同推进人类文明与科学的进步，实现技术牵引、科技创新，发扬大国风范，推动我国国际合作发展的多重盈利。一方面，在科学探测内容上进行国际合作，避免重复探测的同时，与其他任务配合开展科学研究，进一步增强科学探测的价值；另一方面，在任务实施层面可通过国际合作降低成本和风险，同时为构建航天国际合作体系作出贡献。