文/楊詩瑞

太陽探測(cè)在空間天文學(xué)中扮演重要角色，許多空間天文的探測(cè)技術(shù)首先是在對(duì)太陽的空間探測(cè)中得到試驗(yàn)驗(yàn)證的，太陽探測(cè)結(jié)果也大大推進(jìn)了人們對(duì)太陽的認(rèn)識(shí)。目前太陽探測(cè)進(jìn)入到以空間探測(cè)和地基大型望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)為主導(dǎo),多信使、全波段、全時(shí)域、高分辨、多尺度、多視角和高精度探測(cè)的時(shí)代。

高分辨率和多波段觀測(cè)

二戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)利用從德軍繳獲的V2 火箭開展了系列空間探測(cè)試驗(yàn),包括獲得第一張?zhí)栕贤夤庾V照片,以及首次探測(cè)太陽的X 射線輻射。

為了服務(wù)深空探測(cè)和載人登月等航天活動(dòng)，避免阿波羅航天員遭受輻射危險(xiǎn)，美國(guó)從1962 年開始發(fā)射軌道太陽天文臺(tái)系列衛(wèi)星，主要任務(wù)是通過對(duì)太陽紫外線、X 射線和γ 射線的輻射、日冕、耀斑等的綜合觀測(cè)，系統(tǒng)而連續(xù)地研究太陽的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)過程、化學(xué)成份、黑子周期、太陽活動(dòng)的長(zhǎng)期變化和快速變化以及太陽對(duì)地球的影響等。

這一時(shí)期受技術(shù)能力限制，對(duì)太陽的空間探測(cè)以低時(shí)間分辨率的流量探測(cè)為主，將太陽作為一個(gè)整體來進(jìn)行輻射流量測(cè)量，探測(cè)器主要搭載宇宙射線測(cè)量和磁場(chǎng)測(cè)量等儀器，以服務(wù)載人航天為主要目標(biāo)。

▲ 陽光號(hào)太陽探測(cè)衛(wèi)星

上世紀(jì)八九十年代，隨著科技能力提升，太陽探測(cè)在提高流量探測(cè)時(shí)間分辨率的同時(shí)，開始進(jìn)行低空間分辨率的成像觀測(cè)，獲取各種光譜圖像。以日本的陽光探測(cè)器和美國(guó)的太陽和日球?qū)犹綔y(cè)器等為代表，探測(cè)器性能和分辨率都有大幅度提升，并進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)太陽活動(dòng)周的研究。

“陽光”是日本第二顆太陽物理觀測(cè)衛(wèi)星，以耀斑觀測(cè)為主要科學(xué)目標(biāo)，搭載軟X 射線譜儀、X 射線望遠(yuǎn)鏡、硬X 射線譜儀等多種載荷，把對(duì)太陽耀斑等現(xiàn)象的觀測(cè)提升到空前高度。衛(wèi)星持續(xù)工作十多年，成為世界上第一個(gè)提供了完整活動(dòng)周太陽圖像的空間探測(cè)器。

新世紀(jì)以來，隨著深空探測(cè)依賴的運(yùn)載火箭、軌道設(shè)計(jì)、探測(cè)器熱控等技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)受對(duì)太陽精細(xì)探測(cè)，深入研究日冕物質(zhì)拋射等太陽爆發(fā)在日球?qū)觽鞑?，以及太陽極區(qū)磁場(chǎng)在太陽活動(dòng)周中的作用等科學(xué)需求驅(qū)動(dòng)，立體探測(cè)、高精度成像日益得到科學(xué)家的重視，進(jìn)而開啟了多波段、全時(shí)域、高分辨率和高精度探測(cè)時(shí)代。

太陽高能譜成像儀在2002 年發(fā)射，是一顆專門的太陽高能輻射探測(cè)衛(wèi)星，獲得大批太陽耀斑的數(shù)據(jù)和圖像。2006 年發(fā)射的日出衛(wèi)星，首次用50 厘米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間太陽光學(xué)和磁場(chǎng)觀測(cè)，給出了太陽磁場(chǎng)的高分辨率圖像。2010 年發(fā)射的太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)空間分辨率和時(shí)間分辨率都大幅提高，它搭載3 臺(tái)成像儀，實(shí)現(xiàn)了全日面太陽矢量磁場(chǎng)的首次空間觀測(cè)，從而能夠精細(xì)研究太陽磁場(chǎng)和爆發(fā)活動(dòng)的相關(guān)性。

近幾年來，人類開始開展對(duì)太陽的抵近探測(cè)和極區(qū)探測(cè)。2018 年發(fā)射的帕克太陽探測(cè)器將成為人類第一個(gè)飛入太陽日冕的飛行器和最靠近太陽的探測(cè)器，2020 年發(fā)射的太陽軌道探測(cè)器將是第一個(gè)對(duì)太陽極地進(jìn)行直接成像的太陽探測(cè)器，兩個(gè)探測(cè)器將相互協(xié)作，領(lǐng)銜太陽抵近探測(cè)，通過更高精度的探測(cè)破解太陽活動(dòng)與太陽磁場(chǎng)各種運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系。

多軌道面立體探測(cè)

▲ 太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)觀測(cè)到的太陽爆發(fā)

世界各國(guó)實(shí)施的太陽探測(cè)任務(wù)呈現(xiàn)出從地球軌道探測(cè)向日地拉格朗日L1 點(diǎn)再向抵近太陽/黃道面外探測(cè)的趨勢(shì)?？茖W(xué)家和工程師們?cè)谶M(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)，會(huì)根據(jù)探測(cè)衛(wèi)星的科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)、任務(wù)資源的限制，合理選擇太陽觀測(cè)衛(wèi)星的工作軌道。

早期太陽探測(cè)是在地球軌道和近地空間開展。如軌道太陽天文臺(tái)系列衛(wèi)星運(yùn)行軌道為近圓形，高度約550千米，軌道傾角約33 度。

許多太陽探測(cè)衛(wèi)星運(yùn)行于一種特殊的太陽同步軌道——晨昏平面軌道。這種軌道的平面位于地球的晨昏線附近，即地球表面處于黑夜和白天的兩部分的分界線。晨昏平面上的衛(wèi)星不會(huì)被地球的陰影長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)遮擋。在這條“黃昏追逐黎明”的軌道上，衛(wèi)星能夠獲得對(duì)太陽幾乎不間斷的觀測(cè)機(jī)會(huì)。我國(guó)發(fā)射的“羲和號(hào)”，國(guó)外“陽光”“日出”、TRACE、IRIS 等衛(wèi)星，也工作在晨昏面上的太陽同步軌道上。

▲ 太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)拍攝的不同波段太陽圖像

▲ 帕克太陽探測(cè)器

▲ 太陽和日球?qū)犹綔y(cè)器

2006 年發(fā)射升空的日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)，由兩個(gè)一模一樣的探測(cè)器組成，隨著時(shí)間流逝，兩顆衛(wèi)星逐步分離，分別運(yùn)行于地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的前方和后方，開始從不同的角度觀測(cè)太陽。2011 年2 月6 日，兩顆衛(wèi)星的夾角達(dá)到了180 度，人類第一次同時(shí)看到了整個(gè)太陽球面的完整圖像。

在近地空間運(yùn)行的衛(wèi)星會(huì)被地球陰影遮擋，要實(shí)現(xiàn)完全連續(xù)的觀測(cè)，就需要把衛(wèi)星送入日地第一拉格朗日點(diǎn)（L1 點(diǎn)）。在地球和太陽引力的共同作用下，部署在這里的飛船繞太陽公轉(zhuǎn)的角速度和地球繞太陽公轉(zhuǎn)的角速度一樣。也就是說，地球繞太陽公轉(zhuǎn)過多少角度，飛船就會(huì)轉(zhuǎn)過同樣的角度，因此，它始終處于地球和太陽連線上的固定位置。對(duì)于使用類似望遠(yuǎn)鏡的儀器進(jìn)行遙感觀測(cè)的探測(cè)器來說，此處能夠在保持與地球不間斷通信的情況下對(duì)太陽進(jìn)行穩(wěn)定連續(xù)的觀測(cè)。

要想把探測(cè)衛(wèi)星送到這個(gè)位置，需要推力極大的火箭和精準(zhǔn)的深空測(cè)控技術(shù)，還需要成熟可靠的深空測(cè)控網(wǎng)來提供穩(wěn)定充足的通信帶寬。1978年，國(guó)際日地探險(xiǎn)者3 號(hào)衛(wèi)星成為第一個(gè)在日地第一拉格朗日點(diǎn)工作的太陽風(fēng)探測(cè)器。后來，太陽和日球?qū)犹綔y(cè)器、高新化學(xué)組成探測(cè)器、深空氣候觀測(cè)臺(tái)都被部署到這個(gè)位置，持續(xù)開展太陽風(fēng)局地測(cè)量工作。

太陽風(fēng)暴大都發(fā)生在太陽較低緯度地區(qū)，在黃道面軌道就可以獲得比較理想的觀測(cè)效果。然而，太陽南北兩極的磁場(chǎng)對(duì)于日球?qū)又写艌?chǎng)和太陽風(fēng)的整體結(jié)構(gòu)存在重要影響，那里卻長(zhǎng)期是探測(cè)的空白。這是因?yàn)檫\(yùn)載火箭缺乏強(qiáng)勁動(dòng)力，探測(cè)器難以直接抵達(dá)太陽極地上空的環(huán)太陽軌道。

1990 年，“尤利西斯號(hào)”由發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)送入軌道，它的軌道幾乎與黃道面垂直，借助木星的引力加速調(diào)整至太陽極地軌道。衛(wèi)星3 次繞過太陽極區(qū)，成為人類歷史上第一個(gè)對(duì)太陽南北極區(qū)進(jìn)行觀測(cè)的探測(cè)器。通過觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得到了關(guān)于太陽活動(dòng)、磁場(chǎng)及星際塵埃的更多信息。2020 年的太陽軌道探測(cè)器，則首次攜帶遙感觀測(cè)儀器，從地球公轉(zhuǎn)的軌道平面上躍出，在效果更好的角度觀測(cè)太陽南北兩極的磁場(chǎng)和等離子體情況。

挑戰(zhàn)太陽距離極限

早期太陽探測(cè)是在近地空間距離太陽約一個(gè)天文單位的區(qū)域進(jìn)行。隨著科學(xué)研究深入和技術(shù)不斷發(fā)展，在更近距離開展對(duì)太陽的高分辨率探測(cè)日趨重要。太陽抵近觀測(cè)使人類可以更好地觀測(cè)太陽表面特征及其與日球?qū)又g的連接，對(duì)太陽極區(qū)的觀測(cè)有助于揭示太陽磁場(chǎng)的產(chǎn)生過程。

▲ 太陽神號(hào)探測(cè)器

抵近太陽面臨的最大問題是保持探測(cè)器的工作溫度，人類最早的嘗試是美德聯(lián)合研制的太陽神1 號(hào)、2 號(hào)探測(cè)器。太陽神號(hào)探測(cè)器表面由50%的太陽能電池片和50%的玻璃鏡片構(gòu)成，玻璃有較高的反照率，可降低溫度，探測(cè)器配備有先進(jìn)的散熱系統(tǒng)，能夠耐受370 攝氏度的高溫。

1974 年，“太陽神1 號(hào)”進(jìn)入近日點(diǎn)4600 萬千米、遠(yuǎn)日點(diǎn)1.48 億千米的軌道，距太陽0.311 個(gè)天文單位，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這里的溫度低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，于是在1976 年把“太陽神2 號(hào)”送入更接近太陽的軌道，近日點(diǎn)只有4200 萬千米，0.291 個(gè)天文單位，創(chuàng)造了太陽近距離觀測(cè)新紀(jì)錄。

2018 年，帕克太陽探測(cè)器發(fā)射升空，最終計(jì)劃飛越距離太陽表面620萬千米，約0.04 個(gè)天文單位處，創(chuàng)造與太陽距離的新紀(jì)錄。為了保持工作溫度，工程師們利用碳復(fù)合材料為探測(cè)器制作了保護(hù)罩。工作過程中，保護(hù)罩朝向太陽的一面最高溫度可達(dá)1400 攝氏度左右，在它的保護(hù)下，探測(cè)器的工作環(huán)境溫度僅有29 攝氏度。日冕中的太陽風(fēng)的溫度雖然高達(dá)數(shù)百萬攝氏度，但由于太陽風(fēng)的密度極低，不會(huì)對(duì)探測(cè)器的正常工作造成影響。

此外，帕克探測(cè)器的太陽能電池板采用了可調(diào)節(jié)朝向設(shè)置，可以避免太陽過度輻射，電池板裝備鈦合金支撐的水冷系統(tǒng)，能夠及時(shí)帶走積聚的熱量，確保在最嚴(yán)酷的太陽輻射下，將太陽能電池板的溫度保持在150 攝氏度左右。

2020 年2 月，歐空局和美國(guó)宇航局聯(lián)合研制的“太陽軌道器”發(fā)射升空，將到達(dá)與太陽最近距離60 個(gè)太陽半徑，約0.28 個(gè)天文單位的位置，對(duì)日球?qū)雍吞栵L(fēng)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，并對(duì)太陽的極地區(qū)域進(jìn)行近距離觀測(cè)。

太陽軌道器采用先進(jìn)的隔熱板、可旋轉(zhuǎn)太陽電池板和可折疊天線等技術(shù)防止過熱。隔熱板最外層是磷酸鈣制劑，具有極強(qiáng)的吸熱能力；下一層由 20 個(gè)薄薄的鈦層組成，可承受500攝氏度高溫；基座本身是一個(gè)5 厘米厚的鋁蜂窩，上面覆蓋30 層低溫絕緣層，可以承受300 攝氏度的溫度。航天器還為不同儀器提供了進(jìn)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(gè)原位探測(cè)儀器和遙感觀測(cè)儀器同時(shí)工作。

▲ 太陽軌道器