挑战极限：太阳探测的技术发展

文/杨诗瑞

太阳探测在空间天文学中扮演重要角色，许多空间天文的探测技术首先是在对太阳的空间探测中得到试验验证的，太阳探测结果也大大推进了人们对太阳的认识。目前太阳探测进入到以空间探测和地基大型望远镜联合观测为主导,多信使、全波段、全时域、高分辨、多尺度、多视角和高精度探测的时代。

高分辨率和多波段观测

二战结束后，美国利用从德军缴获的V2 火箭开展了系列空间探测试验,包括获得第一张太阳紫外光谱照片,以及首次探测太阳的X 射线辐射。

为了服务深空探测和载人登月等航天活动，避免阿波罗航天员遭受辐射危险，美国从1962 年开始发射轨道太阳天文台系列卫星，主要任务是通过对太阳紫外线、X 射线和γ 射线的辐射、日冕、耀斑等的综合观测，系统而连续地研究太阳的结构、动力学过程、化学成份、黑子周期、太阳活动的长期变化和快速变化以及太阳对地球的影响等。

这一时期受技术能力限制，对太阳的空间探测以低时间分辨率的流量探测为主，将太阳作为一个整体来进行辐射流量测量，探测器主要搭载宇宙射线测量和磁场测量等仪器，以服务载人航天为主要目标。

▲ 阳光号太阳探测卫星

上世纪八九十年代，随着科技能力提升，太阳探测在提高流量探测时间分辨率的同时，开始进行低空间分辨率的成像观测，获取各种光谱图像。以日本的阳光探测器和美国的太阳和日球层探测器等为代表，探测器性能和分辨率都有大幅度提升，并进一步加强对太阳活动周的研究。

“阳光”是日本第二颗太阳物理观测卫星，以耀斑观测为主要科学目标，搭载软X 射线谱仪、X 射线望远镜、硬X 射线谱仪等多种载荷，把对太阳耀斑等现象的观测提升到空前高度。卫星持续工作十多年，成为世界上第一个提供了完整活动周太阳图像的空间探测器。

新世纪以来，随着深空探测依赖的运载火箭、轨道设计、探测器热控等技术的进步，同时受对太阳精细探测，深入研究日冕物质抛射等太阳爆发在日球层传播，以及太阳极区磁场在太阳活动周中的作用等科学需求驱动，立体探测、高精度成像日益得到科学家的重视，进而开启了多波段、全时域、高分辨率和高精度探测时代。

太阳高能谱成像仪在2002 年发射，是一颗专门的太阳高能辐射探测卫星，获得大批太阳耀斑的数据和图像。2006 年发射的日出卫星，首次用50 厘米光学望远镜进行空间太阳光学和磁场观测，给出了太阳磁场的高分辨率图像。2010 年发射的太阳动力学天文台空间分辨率和时间分辨率都大幅提高，它搭载3 台成像仪，实现了全日面太阳矢量磁场的首次空间观测，从而能够精细研究太阳磁场和爆发活动的相关性。

近几年来，人类开始开展对太阳的抵近探测和极区探测。2018 年发射的帕克太阳探测器将成为人类第一个飞入太阳日冕的飞行器和最靠近太阳的探测器，2020 年发射的太阳轨道探测器将是第一个对太阳极地进行直接成像的太阳探测器，两个探测器将相互协作，领衔太阳抵近探测，通过更高精度的探测破解太阳活动与太阳磁场各种运动的内在联系。

多轨道面立体探测

▲ 太阳动力学天文台观测到的太阳爆发

世界各国实施的太阳探测任务呈现出从地球轨道探测向日地拉格朗日L1 点再向抵近太阳/黄道面外探测的趋势。科学家和工程师们在进行任务规划时，会根据探测卫星的科学和应用目标、任务资源的限制，合理选择太阳观测卫星的工作轨道。

早期太阳探测是在地球轨道和近地空间开展。如轨道太阳天文台系列卫星运行轨道为近圆形，高度约550千米，轨道倾角约33 度。

许多太阳探测卫星运行于一种特殊的太阳同步轨道——晨昏平面轨道。这种轨道的平面位于地球的晨昏线附近，即地球表面处于黑夜和白天的两部分的分界线。晨昏平面上的卫星不会被地球的阴影长时间连续遮挡。在这条“黄昏追逐黎明”的轨道上，卫星能够获得对太阳几乎不间断的观测机会。我国发射的“羲和号”，国外“阳光”“日出”、TRACE、IRIS 等卫星，也工作在晨昏面上的太阳同步轨道上。

▲ 太阳动力学天文台拍摄的不同波段太阳图像

▲ 帕克太阳探测器

▲ 太阳和日球层探测器

2006 年发射升空的日地关系观测台，由两个一模一样的探测器组成，随着时间流逝，两颗卫星逐步分离，分别运行于地球绕太阳公转轨道的前方和后方，开始从不同的角度观测太阳。2011 年2 月6 日，两颗卫星的夹角达到了180 度，人类第一次同时看到了整个太阳球面的完整图像。

在近地空间运行的卫星会被地球阴影遮挡，要实现完全连续的观测，就需要把卫星送入日地第一拉格朗日点（L1 点）。在地球和太阳引力的共同作用下，部署在这里的飞船绕太阳公转的角速度和地球绕太阳公转的角速度一样。也就是说，地球绕太阳公转过多少角度，飞船就会转过同样的角度，因此，它始终处于地球和太阳连线上的固定位置。对于使用类似望远镜的仪器进行遥感观测的探测器来说，此处能够在保持与地球不间断通信的情况下对太阳进行稳定连续的观测。

要想把探测卫星送到这个位置，需要推力极大的火箭和精准的深空测控技术，还需要成熟可靠的深空测控网来提供稳定充足的通信带宽。1978年，国际日地探险者3 号卫星成为第一个在日地第一拉格朗日点工作的太阳风探测器。后来，太阳和日球层探测器、高新化学组成探测器、深空气候观测台都被部署到这个位置，持续开展太阳风局地测量工作。

太阳风暴大都发生在太阳较低纬度地区，在黄道面轨道就可以获得比较理想的观测效果。然而，太阳南北两极的磁场对于日球层中磁场和太阳风的整体结构存在重要影响，那里却长期是探测的空白。这是因为运载火箭缺乏强劲动力，探测器难以直接抵达太阳极地上空的环太阳轨道。

1990 年，“尤利西斯号”由发现号航天飞机送入轨道，它的轨道几乎与黄道面垂直，借助木星的引力加速调整至太阳极地轨道。卫星3 次绕过太阳极区，成为人类历史上第一个对太阳南北极区进行观测的探测器。通过观测数据，科学家们得到了关于太阳活动、磁场及星际尘埃的更多信息。2020 年的太阳轨道探测器，则首次携带遥感观测仪器，从地球公转的轨道平面上跃出，在效果更好的角度观测太阳南北两极的磁场和等离子体情况。

挑战太阳距离极限

早期太阳探测是在近地空间距离太阳约一个天文单位的区域进行。随着科学研究深入和技术不断发展，在更近距离开展对太阳的高分辨率探测日趋重要。太阳抵近观测使人类可以更好地观测太阳表面特征及其与日球层之间的连接，对太阳极区的观测有助于揭示太阳磁场的产生过程。

▲ 太阳神号探测器

抵近太阳面临的最大问题是保持探测器的工作温度，人类最早的尝试是美德联合研制的太阳神1 号、2 号探测器。太阳神号探测器表面由50%的太阳能电池片和50%的玻璃镜片构成，玻璃有较高的反照率，可降低温度，探测器配备有先进的散热系统，能够耐受370 摄氏度的高温。

1974 年，“太阳神1 号”进入近日点4600 万千米、远日点1.48 亿千米的轨道，距太阳0.311 个天文单位，科学家们发现这里的温度低于设计指标，于是在1976 年把“太阳神2 号”送入更接近太阳的轨道，近日点只有4200 万千米，0.291 个天文单位，创造了太阳近距离观测新纪录。

2018 年，帕克太阳探测器发射升空，最终计划飞越距离太阳表面620万千米，约0.04 个天文单位处，创造与太阳距离的新纪录。为了保持工作温度，工程师们利用碳复合材料为探测器制作了保护罩。工作过程中，保护罩朝向太阳的一面最高温度可达1400 摄氏度左右，在它的保护下，探测器的工作环境温度仅有29 摄氏度。日冕中的太阳风的温度虽然高达数百万摄氏度，但由于太阳风的密度极低，不会对探测器的正常工作造成影响。

此外，帕克探测器的太阳能电池板采用了可调节朝向设置，可以避免太阳过度辐射，电池板装备钛合金支撑的水冷系统，能够及时带走积聚的热量，确保在最严酷的太阳辐射下，将太阳能电池板的温度保持在150 摄氏度左右。

2020 年2 月，欧空局和美国宇航局联合研制的“太阳轨道器”发射升空，将到达与太阳最近距离60 个太阳半径，约0.28 个天文单位的位置，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。

太阳轨道器采用先进的隔热板、可旋转太阳电池板和可折叠天线等技术防止过热。隔热板最外层是磷酸钙制剂，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500摄氏度高温；基座本身是一个5 厘米厚的铝蜂窝，上面覆盖30 层低温绝缘层，可以承受300 摄氏度的温度。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。

▲ 太阳轨道器