白青江 李明 范全林 （中國科學院國家空間科學中心）

1 引言

人類對于太陽的思考和探索從未停止過。迄今，人們已利用科學衛(wèi)星實現了包括X 射線、紫外線等在內的全波段、全時域、高時空分辨率的太陽觀測，發(fā)現了太陽活動驅動的空間天氣，對太陽的研究亦拓展至受太陽和太陽風影響的日球層全域。

2021年10月14日，我國太陽Hα 光譜探測與雙超平臺科學技術試驗衛(wèi)星（CHASE）“羲和號”發(fā)射升空；2022年10月9日，我國首顆綜合性太陽探測專用衛(wèi)星先進天基太陽天文臺（ASO-S）“夸父一號”成功發(fā)射，成為逾五十項國際太陽觀測科學衛(wèi)星“艦隊”的兩位新人。2022年11月，“夸父一號”主載荷硬X 射線成像儀（HXI）成功獲取迄今國際上地球視角唯一的太陽硬X 射線圖像，其圖像質量達到國際先進水平。

鑒于空間太陽觀測往往涉及國際合作，本文以尤利西斯號（Ulysses）、太陽和日球層觀測天文臺（SOHO）和下一代太陽觀測衛(wèi)星Solar-C 等3 個不同任務作為典型案例開展分析，呼吁世界航天國家攜手開展多種形式的國際合作，共同推進對關乎太陽系和生命起源演化的太陽的科學認知。

Ulysses、SOHO 和Solar-C 太陽觀測衛(wèi)星簡表

2 Ulysses 任務一波三折終斬獲革命性科學成果

科學夢想往往領先于時代。早在1959年科學家就提出了脫離太陽系黃道面（OOE）的科學衛(wèi)星任務概念。

ISPM 探測開啟日球層第三維的科學夢想

20 世紀70年代，歐洲和美國國家航空航天局（NASA）聯合研究了國際太陽極軌任務（ISPM），即利用兩顆關于黃道面對稱的科學衛(wèi)星，探測日球層的第三維，從而分辨行星際介質和太陽風的空間與時間特征。

為了獲取足夠的能量并改變其環(huán)日運行的軌道面，兩顆衛(wèi)星首次背離太陽方向發(fā)射，以便于在發(fā)射約17 個月后切入木星軌道，通過木星借力脫離黃道面并形成兩條對稱的大傾角日心軌道，在兩年半后同時分別飛掠太陽南北兩極。

1975年5月歐洲航天局（ESA）成立。ISPM 于1977年通過了ESA 科學任務遴選；1979年，ESA和NASA 簽訂了《諒解備忘錄》，隨后ISPM 任務納入美國1979 財年預算，ESA 也啟動了ISPM 任務。ISPM 原計劃于1983年2月發(fā)射升空。

從ISPM 到Ulysses，國際合作方案發(fā)生重大刪改

在ISPM 原國際合作方案中，ESA 和NASA 分別研發(fā)各自的航天器，其中ESA 的衛(wèi)星自旋穩(wěn)定，而NASA 的采用三軸穩(wěn)定，因此能攜帶太陽風成像儀，并會優(yōu)先考慮白光日冕觀測儀和X 射線/遠紫外望遠鏡[1]。雙方于1978年共同遴選了兩顆衛(wèi)星將搭載的科學探測有效載荷。共有來自13 個國家65 所大學和研究中心的200 多名科學家參與了ISPM 項目。任務計劃由NASA 航天飛機發(fā)射。

1980年里根當選美國總統(tǒng)，隨后其管理與預算辦公室（OMB）引入新的預算理念和保密政策。隨之，由于NASA 預算削減，美歐雙方先是同意延遲2年發(fā)射，后來NASA 直接決定取消其衛(wèi)星項目，同時仍參與該任務，即提供發(fā)射服務、放射性同位素溫差電源（RTG）、美方的有效載荷，以及數據檢索與分發(fā)等，這些變更使ESA 極其被動。

即使后來ESA 方面的抗議上升至外交層面，積極奔走于美國政府、國會和負責審查預算草案的機構，并提出挽救雙衛(wèi)星項目的新合作方案——由美國向ESA 衛(wèi)星主要合同商采購另一套衛(wèi)星裝置（但該方案無法搭載成像儀器）。美方一度曾接受了該方案，但最終仍拒絕了采購一顆衛(wèi)星的資金申請。

1982年，ESA 決定繼續(xù)實施單星任務，并命名為“奧德修斯”（Odysseus）。不過后來ESA 出于致敬《荷馬史詩》和但丁《神曲·地獄篇》中的神話英雄，將任務重新命名為尤利西斯號，即Odysseus的拉丁文。

回顧ISPM 被刪改為單星任務的遭遇，主要原因是雙方在預算制度和對于《諒解備忘錄》理解等方面存在差異。ESA 執(zhí)行的是五年預算制度，而NASA是年度預算制度。對于ESA 來說，《諒解備忘錄》具有法律效應，而在NASA 看來是一個君子協(xié)定。這些都是國際合作中的重要因素。

需要指出的是，雖然ISPM 被刪改為單航天器任務Ulysses，但后者仍是一個國際合作任務。其中，ESA 負責衛(wèi)星研制[原德國道尼爾公司，后經過一系列合并和更名，現為空中客車集團的阿斯特留姆公司（Astrium）] 和任務運行；NASA 負責發(fā)射服務、慣性上面級和有效載荷輔助艙，以及RTG 的研制。關于任務運行，歐洲空間研究與技術中心（ESTEC）和歐洲空間運行中心（ESOC）主導任務運行，由NASA 的噴氣推進實驗室（JPL）的深空網絡（DSN）負責測控工作。

Ulysses 衛(wèi)星搭載了來自ESA 和NASA 的10個科學載荷。

Ulysses 主要科學探測有效載荷簡表

Ulysses 徹底改變了人類對于太陽及其效應的認識

Ulysses 最終于1990年10月6日由美國發(fā)現號航天飛機發(fā)射升空，成為首個探測黃道面外太陽高緯度及太陽極區(qū)的科學任務。它的設計壽命為5年，實際運行18年8 個月24 天，于2009年退役。利用Ulysses 的數據，科學家發(fā)表了約1500 篇論文，不僅揭示了日球層磁場的本質和表現、繪制了太陽風的時空4D 地圖、觀測到了太陽磁極的反轉、發(fā)現恒星際塵埃可以進入日球層、發(fā)現日球層和星際氣體間的“巨大激波”等，而且它所取得的諸多原創(chuàng)突破幾乎徹底改變了科學家們對于太陽及日球層的認識[2]，成為空間太陽探測的重要里程碑。

不可否認的是，由于合作方各國的預算制度、文化差別等方面原因，開展空間科學國際合作面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，ISPM 任務最后演變?yōu)閱畏矫嫒蝿誙lysses 的遭遇[3]值得反思。

Ulysses 借助木星引力彈弓效應實現人類首次太陽極軌探測示意圖(來源：ESA)

3 SOHO 任務提供國際合作的成功典范

“從里到外”觀測太陽

SOHO 旨在研究太陽動力學和內部結構，探究日冕溫度比光球溫度高得多的原因，以及太陽風粒子的加速位置和機制，“從里到外”探測太陽，即從太陽內部，到其表面和大氣，再到太陽風“吹”到的所有區(qū)域。

SOHO 可追溯至掠入射太陽望遠鏡（GRIST）和雙光譜輻照度和太陽常數軌道器（DISCO）任務，這兩個任務的科學目標共同組成了SOHO 任務的核心內容。1984年，SOHO 入選ESA《地平線2000（Horizon 2000）》中長期空間科學規(guī)劃的大型（L）任務，又稱“奠基石”（cornerstone）任務。

SOHO 衛(wèi)星運行在距離地球150 萬千米遠的日地拉格朗日L1 點。自發(fā)射以來，SOHO 衛(wèi)星一系列具有開創(chuàng)性的探測技術，助力科學家獲得數以千計的科學新成果，鼓舞和啟發(fā)了一系列后繼任務，例如ESA 擬通過精確編隊飛行形成人造日食研究日冕的星上自主項目-3（Proba-3）任務，并為全球廣大天文愛好者們提供了觀測星空大展身手的舞臺。

國際合作奠定成功基礎

SOHO 衛(wèi)星是ESA 主導、NASA 深度參與的國際合作任務。SOHO 衛(wèi)星由歐洲瑪特拉·馬克尼空間公司（Matra Marconi Space，現為Astrium）牽頭研制，共涉及14 個歐洲國家，由美國宇宙神-5（Atlas-5）火箭在美國卡納維拉爾角空軍基地（CCAFS）發(fā)射。SOHO 衛(wèi)星的服務艙、太陽能帆板、推進器、姿態(tài)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和星務功能在法國完成；載荷艙在英國完成組裝，最終載荷艙和服務艙在法國完成集成測試。美國NASA 戈達德航天飛行中心（GSFC）負責任務運行，NASA 的深空網絡提供數據下行和指令上傳服務。

SOHO 衛(wèi)星共搭載了12 臺科學載荷，由來自15個國家的29 個機構研制，全球超過1500 名科學家參與了該任務。

此外，SOHO 任務與ESA 的另一個大型任務星簇計劃II（Cluster II）同屬ESA日地科學計劃（STSP），同時也是ESA 參與國際日地物理計劃（ISTP）的內容。ISTP 是20 世紀80年代由NASA、ESA 和日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）宇宙科學研究所（ISAS）發(fā)起和主導的空間科學計劃。它包括一系列來自NASA、ESA、JAXA、俄羅斯、瑞典和丹麥等機構和國家的、從20 世紀90年代開始運行在日地L1 點的空間科學衛(wèi)星任務，如“太陽風”衛(wèi)星（Wind）、“先進太陽風組分探測器衛(wèi)星”（ACE）和SOHO 等，在全球范圍內對上述衛(wèi)星的觀測計劃、相應的地面設施和理論研究進行規(guī)劃和整合。

SOHO 衛(wèi)星科學探測有效載荷一覽表

SOHO 是世界首個沒有陀螺儀的三軸穩(wěn)定航天器，設計壽命3年，已經歷了7 次延壽運行。盡管SOHO 曾于1998年6月出現通信間斷和衛(wèi)星指向等方面的異常，但已于同年9月恢復正常。2020年SOHO 實現在軌觀測25 周年。目前仍在軌運行，是壽命最長的太陽觀測衛(wèi)星。

產出原創(chuàng)性科學成果

SOHO 在第22 太陽活動周下降期于1995年12月2日發(fā)射，迄今它已完整觀測了第23、24 兩個太陽活動周，現開啟了第25 太陽活動周的觀測，拍攝了2000 萬張圖像，觀測到3 萬次日冕物質拋射（CME），并產出近6000 篇科學論文[4]。

SOHO 為科學家提供了關于太陽內部結構、日冕及太陽風的前所未有的海量新知識，包括但不限于首次拍攝了太陽對流層和太陽表面以下黑子結構的圖像，提供了關于太陽內部溫度結構、內部自轉、氣體流動的精準詳細觀測數據，發(fā)現了日冕波動等新太陽動力學現象，確定了太陽極區(qū)磁“開放”區(qū)的高速太陽風起源區(qū)域和加速機制，對朝向地球的太陽擾動進行最高提前三天的預報，革命性提升了人類對空間天氣的預報能力[5]，這些科學突破已實時更新了人類關于太陽的知識圖譜，令人嘆服不已。

此外，SOHO 還發(fā)現了4000 多顆彗星，是天文學史上迄今發(fā)現彗星數量最多的任務，極大地吸引了社會公眾對于空間太陽觀測任務的關注和參與，提升了公眾的科學素養(yǎng)。值得一提的是，絕大多數彗星都是由天文愛好者們在NASA“掠日彗星”項目（Sungrazer Project）資助下利用SOHO 衛(wèi)星的LASCO日冕儀圖像數據發(fā)現的。

SOHO 發(fā)射25 周年成果統(tǒng)計（來源：ESA）

可見，國際合作滲透在了SOHO 任務的各個層面，不僅全球合作方共同開展數據分析，歐美還共同研制科學儀器，歐洲各國聯合研制衛(wèi)星平臺，美國承擔了運載發(fā)射和任務運行，甚至還涉及更高層次的合作，即ISTP 計劃內各任務之間的多國合作。SOHO 任務是一個全方面、多層次、緊密深入的國際合作任務，集合了各參與方的優(yōu)勢資源，來自全球范圍內的千余名科學家參與其中，為任務成功奠定了基礎，為其取得一系列重大科學發(fā)現提供了堅實保障。

4 Solar—C 任務將開啟新國際合作

揭秘太陽大氣

作為日本系列空間太陽觀測科學衛(wèi)星的“新人”，Solar-C 是日本下一代太陽觀測衛(wèi)星任務，旨在揭開太陽大氣熱等離子體的形成機制以及太陽對地球和太陽系的影響，以最終理解太陽系和生命的起源。其星上主載荷“極紫外高通量光譜望遠鏡”（EUVST），將通過分析太陽的極紫外輻射光譜“探索地球以外的彩虹”。

Solar-C 科學任務概念于2018年提出，2022年8月通過任務定義評審，下一步將開展系統(tǒng)定義評審等，之后進入背景型號預研以及工程研制階段。

Solar-C 設計壽命為2年，計劃于2027 財年由日本新型火箭“艾普斯龍”（Epsilon）發(fā)射，衛(wèi)星姿態(tài)和前兩任Solar-A、Solar-B 一樣，均為三軸穩(wěn)定，指向太陽。不過，“艾普斯龍”最新一次發(fā)射（Epsilon-6）于2022年10月12日以失敗告終，系日本20年來首次運載火箭發(fā)射失敗，希望未來Solar-C 任務不受其影響。

日本主導、美歐參與，合作共贏

Solar-C 是一項由日本主導、美國和歐洲參與的國際合作任務。其中，日本負責衛(wèi)星平臺和EUVST 望遠鏡的研制，以及火箭發(fā)射和任務運行；美國和歐洲負責光譜儀的研制，包括制造光電探測器、光柵，并主導EUVST 部件的集成和測試等。

日本JAXA ISAS 主導研制衛(wèi)星平臺和任務運行；日本國家天文臺（NAOJ）主導研制極端紫外線高通量光譜望遠鏡（EUVST）；名古屋大學的空間-地球環(huán)境研究所（ISEE）負責運行科學中心；京都大學華山天文臺（Kwasan and Hida Observatories）負責協(xié)調國內和國際地基設施的觀測；東京大學科學學院的研究團隊將在數值模擬方面發(fā)揮主導作用。

科學觀測能力前所未有，打開“黑匣子”

Solar-C 將開展以下三方面的紫外觀測，分析太陽極紫外輻射光譜，揭開關于太陽大氣的奧秘。

首先，同時對跨越三個量級的太陽大氣溫度開展無縫觀測，從1000 度的色球層到幾百萬度的日冕，甚至再到1500 萬度的耀斑。另外，通過收集之前10 ～30 倍的太陽紫外射線，以0.4 arc sec 的空間分辨率和1S 的時間分辨率確定其基本結構，并分析其演化過程。它還將通過開展高光譜觀測，以2km/s 的速度分辨率，獲取其量化光譜信息，如速度、溫度、密度、離子化程度和豐度。

迄今對太陽的觀測已揭示了太陽表面的能量注入行為及其在上層大氣的釋放。然而其背后的機制和物理過程仍待揭示。Solar-C 將通過研究能量注入和釋放之間的能量和物質輸運，并確定能量釋放時的發(fā)生情況，打開這個“黑匣子”。

不過Solar-C 與SOHO 任務相比，在國際合作分工中，其中一方即日本的主導力度更大，也是當前空間科學開展國際合作的一種常見合作方式。這將為Solar-C任務未來發(fā)射后取得重大科學成果打下堅實基礎。

5 結語

萬物生長靠太陽。對于藍色行星上的人類而言，揭示恒星太陽的諸多未解之謎是全球科學家的終極夢想，需要世界攜手開展國際合作，共同打造空間太陽觀測立體探測體系。這既包括各個地球軌道高度上的科學衛(wèi)星，如近地軌道的“夸父一號”“羲和號”等，傾斜地球同步軌道（IGSO）的“太陽動力學天文臺（SDO）”等；地球公轉軌道（環(huán)日）上的科學衛(wèi)星，如美國牽頭，德英法比匈5 國參與的“日地關系觀測臺”（STEREO），抵近太陽觀測的“帕克號”（PSP）[6]，ESA 牽頭、美國參與的“太陽軌道器”（Solar Orbiter）[7]；以及我國正在推動的“太陽極軌探測任務”（SPO）等。此外，小衛(wèi)星也能做大科學，例如“日出號”太陽射電干涉儀空間實驗立方星座（SunRISE，6 顆）、日球層衛(wèi)星“艦隊”探測計劃（HelioSwarm，1 母星+8 子星）等正在研制。這些空間科學任務均以太陽為主要觀測對象，關注太陽物理的不同科學前沿問題，彼此銜接，共同構成國際太陽立體探測體系?？茖W發(fā)現只有第一，單憑一國之力破解太陽奧秘，既不現實，也無必要。

另一方面，太陽爆發(fā)活動所致的地球災害性空間天氣，主要是全球尺度的，其負面影響對各國航天和地基基礎設施一視同仁。監(jiān)測空間天氣的空間任務也需要全球通力合作，盡管后者涉及國家空間安全，不同國家的投入和重視程度各異。與空間太陽觀測科學任務不同，這些任務正在像氣象衛(wèi)星7×24 小時監(jiān)測地球天氣一樣對空間天氣開展監(jiān)測，即可通過地球軌道業(yè)務衛(wèi)星（風云氣象衛(wèi)星系列、地球靜止軌道氣象衛(wèi)星系列GOES）搭載，或在日地拉格朗日點L1 點配置專用空間天氣業(yè)務衛(wèi)星，就如同美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的深空氣候觀象臺衛(wèi)星（DSCOVR）。為提前4 ～5 天觀測到即將面向地球的太陽活動區(qū)，ESA 和我國都在推動在日地拉格朗日點L5 任務[8-9]。鑒史知今向未來，空間天氣的監(jiān)測預警服務也必將和世界氣象組織（WMO）一樣倡導和推行國際合作。

國際空間太陽立體觀測示意圖（黃色表示規(guī)劃和研制的未來任務，白色表示在軌任務）

從全球范圍來說，開展空間太陽觀測國際合作是必然發(fā)展趨勢。未來，我國可采取多元化多層次的合作方式[10]，其中大型任務/旗艦型任務以我為主研發(fā)和運行，國際伙伴可通過搭載有效載荷參與任務，形成我國牽頭的國際大科學計劃或工程。對于中小型任務，積極開展平等合作或進行搭載，雙方數據互補共享。例如，中歐聯合空間科學衛(wèi)星任務“太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃”（SMILE）就是雙方聯合設計、聯合開發(fā)和數據分析與利用的一項中小型空間科學任務，是中歐雙方在空間科學領域全方位深度合作的新里程碑[11]。此外，也可在中外雙方各自任務間進行協(xié)同等，順利推進任務實施和運行。當前，我國正在加快建設航天強國，國際合作之路必將越來越寬廣，定為推動世界航天發(fā)展、在外空領域推動構建人類命運共同體、促進人類文明進步作出更大貢獻。