文/ 遲惑

▲ 太陽(yáng)軌道器運(yùn)行示意圖

2月10日，歐空局從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射了全新的太陽(yáng)軌道探測(cè)器，開始了飛向太陽(yáng)的科學(xué)考察和冒險(xiǎn)之旅。自古以來，人們對(duì)太陽(yáng)就充滿了崇拜?，F(xiàn)代人類了解到太陽(yáng)的真實(shí)面目之后，啟動(dòng)了一系列宏大的科學(xué)計(jì)劃，太陽(yáng)軌道器是其中最新的一個(gè)。

奇特的軌道

太陽(yáng)軌道器的想法是2000年提交給歐空局的，歐空局的科學(xué)計(jì)劃委員會(huì)在2000年10月認(rèn)為這個(gè)想法可行，于是把它列為靈活任務(wù)，打算在2008—2013年時(shí)間段內(nèi)擇機(jī)發(fā)射，排在貝皮·科倫布水星探測(cè)計(jì)劃之后。2002年5月，歐空局科學(xué)委員會(huì)再次確認(rèn)了太陽(yáng)軌道器計(jì)劃的必要性。到2004年，歐空局把太陽(yáng)軌道器列入宇宙視野計(jì)劃的大框架之中，原本打算在2013年10月發(fā)射，后來調(diào)整到不晚于2015年5月。因此，它的設(shè)計(jì)很早就完成了，包括最為重要的防熱設(shè)計(jì)。雖然推遲了5年才發(fā)射，也算有始有終。

太陽(yáng)軌道器的主要任務(wù)，是探索太陽(yáng)以及太陽(yáng)領(lǐng)域，為人們解讀關(guān)于這兩個(gè)領(lǐng)域的很多基礎(chǔ)問題，是太陽(yáng)探測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重大進(jìn)步。

太陽(yáng)軌道器將部署在環(huán)繞太陽(yáng)飛行的軌道上，按照最初設(shè)計(jì)，它距離太陽(yáng)最近的時(shí)候只有0.228個(gè)天文單位。這是人類有史以來第一次把探測(cè)器送到離太陽(yáng)如此之近的地方來實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，并且拍攝高分辨率圖像。另外，太陽(yáng)軌道器還將第一次離開黃道面，實(shí)現(xiàn)相對(duì)于太陽(yáng)赤道超過30度的軌道傾角，在這個(gè)軌道上拍攝太陽(yáng)圖像，以及對(duì)太陽(yáng)極區(qū)進(jìn)行光譜學(xué)觀測(cè)。

要實(shí)現(xiàn)這樣的近距離大傾角軌道，需要高能量的軌道轉(zhuǎn)移，以現(xiàn)有的常規(guī)推力系統(tǒng)，不采用天體引力輔助機(jī)動(dòng)，是做不到的。太陽(yáng)軌道器將采用引力輔助機(jī)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)這樣的軌道。通過金星的牽引，太陽(yáng)軌道器最終實(shí)現(xiàn)的是一種叫做3:2的共振軌道，也就是說在這個(gè)軌道上，太陽(yáng)軌道器每次和金星交會(huì)，都能利用它的引力來加大傾角，最終實(shí)現(xiàn)的軌道叫做科學(xué)軌道。進(jìn)入這條軌道后，只需要進(jìn)行少量軌道保持推進(jìn)就可以了，消耗的推進(jìn)劑不多。在方案論證期間，人們?cè)?jīng)提出了兩種實(shí)現(xiàn)方案。第一種是采用太陽(yáng)能電推進(jìn)，第二種是采用化學(xué)推進(jìn)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的想法是用俄羅斯聯(lián)盟火箭來發(fā)射，所以兩種推進(jìn)方案都不能超過聯(lián)盟-微風(fēng)上面級(jí)的運(yùn)載能力，但最后，俄羅斯火箭的方案被放棄了。

▲ 太陽(yáng)軌道器的變軌

電推進(jìn)方案打算實(shí)施兩次金星引力輔助變軌和一次地球引力輔助變軌，整個(gè)飛行過程需要1.8年。為了簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)，進(jìn)入科學(xué)軌道后，在實(shí)施第二次金星引力輔助變軌之前，就要把太陽(yáng)能電推進(jìn)模塊丟棄，然后探測(cè)器就可以進(jìn)入目標(biāo)軌道了。

化學(xué)推進(jìn)方案則打算實(shí)施兩次地球引力輔助變軌和兩次金星引力輔助變軌。在飛行期間執(zhí)行數(shù)次脈沖噴射機(jī)動(dòng)，在實(shí)施第二次金星引力輔助變軌之前，就需要飛行3.4年。經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡，為了沿用貝皮·科倫布探測(cè)器上的成熟技術(shù)，歐空局最后還是選擇了化學(xué)推進(jìn)方案。

▲ 科學(xué)儀器組成

▲ 太陽(yáng)軌道器大小只有帕克的一半

▲ 太陽(yáng)軌道器的天線可以折疊起來防熱

現(xiàn)在我們來詳細(xì)解釋一下太陽(yáng)軌道器的變軌策略。發(fā)射之后，它首先要對(duì)平臺(tái)和系統(tǒng)進(jìn)行自檢，然后向太陽(yáng)飛行，到2020年6月，它將抵達(dá)距離太陽(yáng)0.5個(gè)天文單位的地方。到2021年11月前，它要實(shí)施兩次金星引力牽引變軌和一次地球引力牽引變軌，進(jìn)入太陽(yáng)系的最內(nèi)層，這時(shí)就可以打開所有科學(xué)儀器實(shí)施觀測(cè)。第一次通過近日點(diǎn)將發(fā)生在2022年3月，距離太陽(yáng)0.33個(gè)天文單位。太陽(yáng)軌道器最終環(huán)繞太陽(yáng)飛行的軌道周期是180天，也就是說，大約每6個(gè)月就要抵達(dá)一次近日點(diǎn)。探測(cè)器軌道的選擇與金星軌道是“共振”的。金星的公轉(zhuǎn)周期是224天，也就是說，探測(cè)器每運(yùn)行6圈左右，就能夠和金星交會(huì)一次。一開始，太陽(yáng)軌道器的軌道傾角和金星差不多。但是每交會(huì)一次，就能利用金星的引力來把軌道傾角提高一點(diǎn)。這就意味著，它每轉(zhuǎn)一圈，就能從一個(gè)不同的角度來觀測(cè)太陽(yáng)。太陽(yáng)軌道器的工作壽命設(shè)定在4年，在任務(wù)末期，它相對(duì)于太陽(yáng)的軌道傾角會(huì)達(dá)到17度。如果4年任務(wù)之后，太陽(yáng)軌道器沒有被曬壞，還能繼續(xù)工作，那么就可以繼續(xù)提升軌道傾角，最終達(dá)到33度。

和日本、印度不同，歐洲擁有自己的深空測(cè)控網(wǎng)，因此太陽(yáng)軌道器雖然要和美國(guó)的帕克太陽(yáng)探測(cè)器協(xié)同工作，但它的測(cè)控通信主要還是由歐洲自己承擔(dān)。任務(wù)控制中心設(shè)在德國(guó)中部小城達(dá)姆施塔特，這里是歐空局的歐洲空間運(yùn)行中心所在地。但用來接收數(shù)據(jù)的35米大天線卻不在歐洲，而是設(shè)在阿根廷門多薩省的馬拉圭。設(shè)在澳大利亞諾西亞和西班牙賽富雷羅斯的天線作為備份。

因?yàn)椴荒鼙ＷC實(shí)時(shí)通信，所以太陽(yáng)軌道器獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)首先要存儲(chǔ)在星上，等到對(duì)地通信的時(shí)間窗口打開，就抓緊時(shí)間下行，窗口時(shí)間一般長(zhǎng)8個(gè)小時(shí)。

科學(xué)運(yùn)行中心設(shè)在西班牙的拉卡尼亞達(dá)，這里是歐洲空間天文中心所在地。如前文所述，太陽(yáng)軌道器的每一圈軌道都會(huì)發(fā)生傾角變化，所以每一圈的科學(xué)任務(wù)都要重新規(guī)劃和實(shí)施。

▲ 太陽(yáng)軌道器是在英國(guó)設(shè)計(jì)制造的

儀器要防熱

科學(xué)家們?yōu)樘?yáng)軌道器設(shè)計(jì)了防熱保護(hù)罩，用以保護(hù)太陽(yáng)軌道器本體的正常工作溫度。除此之外，探測(cè)器上搭載的儀器、天線和太陽(yáng)電池，也有著獨(dú)特的工作要求和具體設(shè)計(jì)。

太陽(yáng)軌道器攜帶的10件儀器同樣是向歐洲各國(guó)研究機(jī)構(gòu)招標(biāo)而來的，經(jīng)過有效載荷工作組審定之后，才能進(jìn)入總體設(shè)計(jì)。

這10件科學(xué)儀器都在保護(hù)罩的后面。但是當(dāng)它們開展工作的時(shí)候，必須能“看見”太陽(yáng)，至少要能“看見”太陽(yáng)附近的空間。為了完成科學(xué)目標(biāo)，這10件儀器分成了兩大類。一類是“原地測(cè)量”，一類是“遙感”。原地測(cè)量設(shè)備用來測(cè)量太陽(yáng)軌道器所在位置上的空間環(huán)境。不過原地測(cè)量設(shè)備也不一樣，有些躲在防熱保護(hù)罩后面就可以工作，有些必須正對(duì)太陽(yáng)。所以后者配備了單獨(dú)的小型熱防護(hù)罩。遙感測(cè)量設(shè)備就必須正對(duì)太陽(yáng)了。因此，在熱防護(hù)罩上還開了一些小窗口，用滑動(dòng)門保護(hù)起來。需要測(cè)量的時(shí)候，把門打開，露出測(cè)量設(shè)備的探頭。

考慮到這些儀器的工作要求都不相同，因此每臺(tái)儀器都有自己的溫度控制系統(tǒng)，彼此獨(dú)立。一般來說，觀測(cè)孔徑越大的儀器，伺候起來越麻煩。太陽(yáng)軌道器上孔徑最大的兩件儀器是磁強(qiáng)計(jì)和日冕儀。

日冕儀自己帶有一個(gè)能防高溫的遮光體，它可以把熱量輻射到宇宙里去，以此來控制日冕儀本身的溫度。在遮光體后面設(shè)有一個(gè)反射鏡，可以把陽(yáng)光反射到日冕儀內(nèi)用于測(cè)量。這樣，日冕儀所吸收到的陽(yáng)光就非常少了，既可以保證測(cè)量，又不會(huì)被烤壞。

至于磁強(qiáng)計(jì)，它的外側(cè)設(shè)置了一個(gè)濾波器，可以把入射的陽(yáng)光排除掉95%。這個(gè)濾波器本身的吸收率只有10%。它的研制也是整個(gè)太陽(yáng)軌道器設(shè)計(jì)研制中的一個(gè)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成后的磁強(qiáng)計(jì)由兩個(gè)磁通量閘組成，都安裝在探測(cè)器后方的設(shè)備架上，在設(shè)備圖中可以清晰地看到。它的電子設(shè)備盒則設(shè)置在探測(cè)器本體之內(nèi)。

另有兩個(gè)設(shè)備也需要提一下。太陽(yáng)空間成像儀（SoloHI）設(shè)置在防熱保護(hù)罩的側(cè)面，并不直接面對(duì)著太陽(yáng)。太陽(yáng)軌道器平臺(tái)上的多數(shù)元器件都需要一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境溫度。為了滿足這個(gè)要求，必須為探測(cè)器設(shè)置防熱保護(hù)罩。這個(gè)保護(hù)罩要覆蓋探測(cè)器平臺(tái)本身和一部分外置器件，還要開出窗口，供一些遙感設(shè)備工作。不過，有些外部附件要暴露在太陽(yáng)輻射之下，所以設(shè)計(jì)時(shí)要提出特殊的技術(shù)要求。X射線光譜儀（STIX）用來測(cè)量X射線，所以它的表面是不透明的。STIX直接布置在防熱保護(hù)罩的后面，還增加了一層紅外反射屏來降低溫度。

數(shù)據(jù)怎么發(fā)回來

▲ 太陽(yáng)軌道器最后還是采用了化學(xué)推進(jìn)方案

▲ 太陽(yáng)軌道器最后選用宇“宙神5”發(fā)射

費(fèi)了這么大力氣研制出來的探測(cè)器，獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)然是非常寶貴的。然而怎么才能把這些數(shù)據(jù)送回來？當(dāng)然是通過天線了。但是作為近日飛行器，天線設(shè)計(jì)也是個(gè)大問題。太陽(yáng)軌道器距離地球遙遠(yuǎn)，天線太小了還不行。因此，任務(wù)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種叫做高溫高增益天線的設(shè)備，是在貝皮·科倫布計(jì)劃基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。熟悉航天器設(shè)計(jì)的人們都知道，高增益天線一般是非常薄的拋物面，它的形狀精度要求非常高，對(duì)熱脹冷縮引起的變型也非常敏感，所以在探測(cè)器接近近日點(diǎn)或者遠(yuǎn)離近日點(diǎn)之前，這個(gè)天線都是收起來的。具體的要求是，只要接近到0.3個(gè)天文單位以內(nèi)，就把它折起來，置于防熱保護(hù)罩和探測(cè)器本體的遮擋之下。在這段時(shí)間里，地球就失去了和太陽(yáng)軌道器的聯(lián)系，不能對(duì)它發(fā)送指令，也不能從它那里得到回傳的科學(xué)數(shù)據(jù)。除了天線反射面本身，饋源的設(shè)計(jì)也具有很大挑戰(zhàn)性，這種嬌貴的器件很難耐受高溫，因此設(shè)計(jì)師們采用了鈦合金、碳化硅和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來制造饋源，這樣它就能耐受不超過300攝氏度的高溫。

你不要太來電啊

太陽(yáng)軌道器的太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)具有極大的挑戰(zhàn)性。太陽(yáng)電池不僅僅要在近距離上保持工作能力，還要在整個(gè)飛行過程中做到電力穩(wěn)定輸出。這是很容易理解的，太陽(yáng)軌道器一進(jìn)入宇宙空間，就必須靠太陽(yáng)電池發(fā)出的電力來正常工作。但是，地球軌道上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是一定的，越是接近太陽(yáng)，輻射強(qiáng)度就越高。在科學(xué)軌道上，太陽(yáng)軌道器經(jīng)受的太陽(yáng)加熱是在近地軌道上的13倍。

如果太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電壓太高或者電流太大，會(huì)燒壞電路，這就變成壞事了。更麻煩的是，在整個(gè)變軌飛行期間，還可能出現(xiàn)距離太陽(yáng)1.5個(gè)天文單位的情況，也就是地球到太陽(yáng)距離的1.5倍。

這樣大幅度的距離變化，太陽(yáng)電池該怎么設(shè)計(jì)和使用呢？最簡(jiǎn)單的辦法就是控制傾角。當(dāng)太陽(yáng)軌道器距離太陽(yáng)比較遠(yuǎn)的時(shí)候，就減少相對(duì)于太陽(yáng)的傾角，讓陽(yáng)光盡量直射在電池陣上。當(dāng)距離太陽(yáng)比較近的時(shí)候，就加大傾角，只接受一小部分陽(yáng)光，免得溫度太高。而當(dāng)軌道器處在距離太陽(yáng)較遠(yuǎn)位置的時(shí)候，可以旋轉(zhuǎn)回來更多地正對(duì)太陽(yáng)，來獲得足夠的能量。

這聽起來很容易，不過在大傾角情況下，需要面對(duì)太陽(yáng)電池本身的邊緣效應(yīng)、內(nèi)部反射和光伏單元衰減等復(fù)雜的問題，而且改變傾角可能帶來電池陣溫度的大幅度變化。所以，電池陣相對(duì)于太陽(yáng)的傾角不能大于70度。如果采用三結(jié)式砷化鎵電池，那么在70°傾角時(shí)，光伏單元的工作溫度會(huì)接近300攝氏度。這是不可接受的。因此，可以考慮用光學(xué)太陽(yáng)反射器來替代太陽(yáng)電池。

▲ 太陽(yáng)軌道器抵達(dá)美國(guó)

太陽(yáng)電池陣的底部采用增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，來增強(qiáng)對(duì)高溫的耐受能力。經(jīng)過綜合設(shè)計(jì)，太陽(yáng)電池的工作溫度可以控制在230攝氏度。

▲ 太陽(yáng)軌道器飛越金星的想象圖

太陽(yáng)軌道器到位后，將與美國(guó)宇航局的帕克太陽(yáng)探測(cè)器協(xié)作，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行近距離觀察。帕克在2018年8月12日發(fā)射，目前已經(jīng)進(jìn)入工作位置。

帕克所攜帶的儀器比太陽(yáng)軌道器略少，但它距離太陽(yáng)更近一些。帕克同樣采用了行星引力輔助變軌方式來接近太陽(yáng)。帕克是目前人造物體接近太陽(yáng)的紀(jì)錄保持者，2019年4月4日，它抵達(dá)了距離太陽(yáng)只有2400萬公里的位置。然而這還不是最近的位置。帕克打算實(shí)施24次近日交會(huì)，距離最近的時(shí)候，到太陽(yáng)表面只有620萬公里。因此，帕克的熱防護(hù)罩比太陽(yáng)軌道器更加厚重。

帕克將直抵日冕爆發(fā)成太陽(yáng)風(fēng)的區(qū)域，用儀器對(duì)日冕進(jìn)行直接采樣。這將為科學(xué)家們提供有關(guān)區(qū)域等離子體情況的“鐵證”，也能更好地為人們指出太陽(yáng)風(fēng)是怎樣推動(dòng)行星的。帕克沒有直接拍攝太陽(yáng)的相機(jī)，現(xiàn)有的技術(shù)無法制造出在如此近距離上拍攝太陽(yáng)的設(shè)備，不過太陽(yáng)軌道器上的相機(jī)可以作為補(bǔ)充。

如果把太陽(yáng)軌道器和帕克的數(shù)據(jù)對(duì)照起來，可以獲得超出這兩個(gè)航天器本身單獨(dú)運(yùn)行的科學(xué)成果。

相關(guān)鏈接

太陽(yáng)為什么如此吸引人類眼球？

太陽(yáng)是離我們最近的一顆恒星，這顆氣體恒星幾乎占據(jù)了太陽(yáng)系的全部質(zhì)量，最大的行星——木星的質(zhì)量?jī)H為它的千分之一。在給地球生命帶來光和熱的同時(shí)，“巨無霸”太陽(yáng)也與地球生命形成了一個(gè)異常緊密的聯(lián)動(dòng)體。

太陽(yáng)大氣從內(nèi)向外可分為光球、色球和日冕三層。太陽(yáng)所有光能均由光球發(fā)出，這是地球上燦爛陽(yáng)光的源頭。光球之上1500公里左右是色球?qū)樱@一層由較稀薄的氣態(tài)物質(zhì)構(gòu)成。而太陽(yáng)大氣最外層的那部分則叫做日冕，由更稀薄的氣體組成。

擁有三層結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)大氣既不均勻，也不寧?kù)o，經(jīng)常發(fā)生頻繁的大氣活動(dòng)。太陽(yáng)黑子、耀斑（太陽(yáng)色球和日冕過渡層上發(fā)生的一種局部輻射突然增加的現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放出大量能量）、譜斑、日冕物質(zhì)拋射（大規(guī)模太陽(yáng)物質(zhì)噴發(fā)）和太陽(yáng)射電等變化都是太陽(yáng)大氣十分活躍的表現(xiàn)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，頻繁的太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)使電磁波輻射增強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生太陽(yáng)風(fēng)暴，會(huì)使得高能帶電粒子突然增加，進(jìn)而引發(fā)地球大氣溫度、密度、成分等方面變化，最終造成地球空間災(zāi)害性天氣。這不僅會(huì)破壞人造衛(wèi)星與地面的通信，導(dǎo)致地面導(dǎo)航系統(tǒng)失靈，而且還會(huì)威脅到人類自身的健康和周圍生態(tài)環(huán)境。因此，我們必須深入了解和掌握太陽(yáng)活動(dòng)的規(guī)律，以便日后能夠應(yīng)對(duì)自如。人類對(duì)太陽(yáng)了解得越多,人類的未來也會(huì)越“穩(wěn)”。

雖然對(duì)人類來說，太陽(yáng)是一顆獨(dú)特的恒星，但事實(shí)上，無論從大小，還是從光度等物理指標(biāo)來看，在茫茫的宇宙中，太陽(yáng)只是一顆再普通不過的恒星。作為一顆普通的恒星，許多太陽(yáng)現(xiàn)象已經(jīng)成為整個(gè)天體物理學(xué)的基礎(chǔ)，研究太陽(yáng)可以了解核能的產(chǎn)生及能量傳輸?shù)幕痉绞剑屛覀兏羁痰乩斫鈱?duì)流、輻射和傳導(dǎo)等物理過程。

此外，太陽(yáng)還是人類目前唯一可進(jìn)行高空間分辨率觀測(cè)的恒星，探索太陽(yáng)對(duì)人類了解宇宙中恒星結(jié)構(gòu)和演化的過程具有獨(dú)一無二的參考價(jià)值。人類想要在未來進(jìn)行星際旅行，尋找更多適宜居住的星球的話，同樣需要通過認(rèn)識(shí)太陽(yáng)來提高人類對(duì)整個(gè)宇宙空間環(huán)境的認(rèn)知。

在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，天文學(xué)家只能依賴地基設(shè)備，依靠到達(dá)地球表面的光線來間接了解太陽(yáng)，這讓人類對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)知程度提升緩慢?，F(xiàn)在，有了空間衛(wèi)星和探測(cè)器的幫助，我們就能夠獲得更多太陽(yáng)一手的資料，可以更直接地對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行分析研究。

根據(jù)太陽(yáng)活動(dòng)的劇烈程度，可以把它們大致分為兩類：緩慢型和劇烈型。太陽(yáng)黑子、冕洞和太陽(yáng)常量等這類變化周期比較長(zhǎng)的屬于比較典型的緩慢型太陽(yáng)活動(dòng)，而太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射這類幾乎瞬時(shí)發(fā)生的猛烈現(xiàn)象，可歸結(jié)為劇烈活動(dòng)型。

以上太陽(yáng)活動(dòng)都可成為太陽(yáng)探測(cè)器的觀測(cè)目標(biāo)，尤其是劇烈型活動(dòng)，像太陽(yáng)耀斑、太陽(yáng)風(fēng)、日冕物質(zhì)拋射等。不同波段的電磁輻射，紫外、x射線、γ射線等攜帶有太陽(yáng)活動(dòng)的大量信息，是名副其實(shí)的信息載體，所以，這些特征波段的電磁輻射是大多數(shù)探測(cè)器關(guān)注的對(duì)象。除了這些太陽(yáng)活動(dòng)之外，太陽(yáng)探測(cè)器還有一個(gè)重要的觀測(cè)目標(biāo)就是太陽(yáng)磁場(chǎng)，因?yàn)槲覀兛吹降膸缀跛刑?yáng)活動(dòng)，都是太陽(yáng)的等離子體與磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。如果太陽(yáng)不存在磁場(chǎng)，那么，太陽(yáng)極有可能是一顆“老實(shí)本分”的恒星。讀懂太陽(yáng)磁場(chǎng)，就讀懂了太陽(yáng)絕大部分的行為。