挑戰極限：太陽探測的技術發展

文/楊詩瑞

太陽探測在空間天文學中扮演重要角色，許多空間天文的探測技術首先是在對太陽的空間探測中得到試驗驗證的，太陽探測結果也大大推進了人們對太陽的認識。目前太陽探測進入到以空間探測和地基大型望遠鏡聯合觀測為主導,多信使、全波段、全時域、高分辨、多尺度、多視角和高精度探測的時代。

高分辨率和多波段觀測

二戰結束后，美國利用從德軍繳獲的V2 火箭開展了系列空間探測試驗,包括獲得第一張太陽紫外光譜照片,以及首次探測太陽的X 射線輻射。

為了服務深空探測和載人登月等航天活動，避免阿波羅航天員遭受輻射危險，美國從1962 年開始發射軌道太陽天文臺系列衛星，主要任務是通過對太陽紫外線、X 射線和γ 射線的輻射、日冕、耀斑等的綜合觀測，系統而連續地研究太陽的結構、動力學過程、化學成份、黑子周期、太陽活動的長期變化和快速變化以及太陽對地球的影響等。

這一時期受技術能力限制，對太陽的空間探測以低時間分辨率的流量探測為主，將太陽作為一個整體來進行輻射流量測量，探測器主要搭載宇宙射線測量和磁場測量等儀器，以服務載人航天為主要目標。

▲ 陽光號太陽探測衛星

上世紀八九十年代，隨著科技能力提升，太陽探測在提高流量探測時間分辨率的同時，開始進行低空間分辨率的成像觀測，獲取各種光譜圖像。以日本的陽光探測器和美國的太陽和日球層探測器等為代表，探測器性能和分辨率都有大幅度提升，并進一步加強對太陽活動周的研究。

“陽光”是日本第二顆太陽物理觀測衛星，以耀斑觀測為主要科學目標，搭載軟X 射線譜儀、X 射線望遠鏡、硬X 射線譜儀等多種載荷，把對太陽耀斑等現象的觀測提升到空前高度。衛星持續工作十多年，成為世界上第一個提供了完整活動周太陽圖像的空間探測器。

新世紀以來，隨著深空探測依賴的運載火箭、軌道設計、探測器熱控等技術的進步，同時受對太陽精細探測，深入研究日冕物質拋射等太陽爆發在日球層傳播，以及太陽極區磁場在太陽活動周中的作用等科學需求驅動，立體探測、高精度成像日益得到科學家的重視，進而開啟了多波段、全時域、高分辨率和高精度探測時代。

太陽高能譜成像儀在2002 年發射，是一顆專門的太陽高能輻射探測衛星，獲得大批太陽耀斑的數據和圖像。2006 年發射的日出衛星，首次用50 厘米光學望遠鏡進行空間太陽光學和磁場觀測，給出了太陽磁場的高分辨率圖像。2010 年發射的太陽動力學天文臺空間分辨率和時間分辨率都大幅提高，它搭載3 臺成像儀，實現了全日面太陽矢量磁場的首次空間觀測，從而能夠精細研究太陽磁場和爆發活動的相關性。

近幾年來，人類開始開展對太陽的抵近探測和極區探測。2018 年發射的帕克太陽探測器將成為人類第一個飛入太陽日冕的飛行器和最靠近太陽的探測器，2020 年發射的太陽軌道探測器將是第一個對太陽極地進行直接成像的太陽探測器，兩個探測器將相互協作，領銜太陽抵近探測，通過更高精度的探測破解太陽活動與太陽磁場各種運動的內在聯系。

多軌道面立體探測

▲ 太陽動力學天文臺觀測到的太陽爆發

世界各國實施的太陽探測任務呈現出從地球軌道探測向日地拉格朗日L1 點再向抵近太陽/黃道面外探測的趨勢。科學家和工程師們在進行任務規劃時，會根據探測衛星的科學和應用目標、任務資源的限制，合理選擇太陽觀測衛星的工作軌道。

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

許多太陽探測衛星運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。晨昏平面上的衛星不會被地球的陰影長時間連續遮擋。在這條“黃昏追逐黎明”的軌道上，衛星能夠獲得對太陽幾乎不間斷的觀測機會。我國發射的“羲和號”，國外“陽光”“日出”、TRACE、IRIS 等衛星，也工作在晨昏面上的太陽同步軌道上。

▲ 太陽動力學天文臺拍攝的不同波段太陽圖像

▲ 帕克太陽探測器

▲ 太陽和日球層探測器

2006 年發射升空的日地關系觀測臺，由兩個一模一樣的探測器組成，隨著時間流逝，兩顆衛星逐步分離，分別運行于地球繞太陽公轉軌道的前方和后方，開始從不同的角度觀測太陽。2011 年2 月6 日，兩顆衛星的夾角達到了180 度，人類第一次同時看到了整個太陽球面的完整圖像。

在近地空間運行的衛星會被地球陰影遮擋，要實現完全連續的觀測，就需要把衛星送入日地第一拉格朗日點（L1 點）。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的角速度和地球繞太陽公轉的角速度一樣。也就是說，地球繞太陽公轉過多少角度，飛船就會轉過同樣的角度，因此，它始終處于地球和太陽連線上的固定位置。對于使用類似望遠鏡的儀器進行遙感觀測的探測器來說，此處能夠在保持與地球不間斷通信的情況下對太陽進行穩定連續的觀測。

要想把探測衛星送到這個位置，需要推力極大的火箭和精準的深空測控技術，還需要成熟可靠的深空測控網來提供穩定充足的通信帶寬。1978年，國際日地探險者3 號衛星成為第一個在日地第一拉格朗日點工作的太陽風探測器。后來，太陽和日球層探測器、高新化學組成探測器、深空氣候觀測臺都被部署到這個位置，持續開展太陽風局地測量工作。

太陽風暴大都發生在太陽較低緯度地區，在黃道面軌道就可以獲得比較理想的觀測效果。然而，太陽南北兩極的磁場對于日球層中磁場和太陽風的整體結構存在重要影響，那里卻長期是探測的空白。這是因為運載火箭缺乏強勁動力，探測器難以直接抵達太陽極地上空的環太陽軌道。

1990 年，“尤利西斯號”由發現號航天飛機送入軌道，它的軌道幾乎與黃道面垂直，借助木星的引力加速調整至太陽極地軌道。衛星3 次繞過太陽極區，成為人類歷史上第一個對太陽南北極區進行觀測的探測器。通過觀測數據，科學家們得到了關于太陽活動、磁場及星際塵埃的更多信息。2020 年的太陽軌道探測器，則首次攜帶遙感觀測儀器，從地球公轉的軌道平面上躍出，在效果更好的角度觀測太陽南北兩極的磁場和等離子體情況。

挑戰太陽距離極限

早期太陽探測是在近地空間距離太陽約一個天文單位的區域進行。隨著科學研究深入和技術不斷發展，在更近距離開展對太陽的高分辨率探測日趨重要。太陽抵近觀測使人類可以更好地觀測太陽表面特征及其與日球層之間的連接，對太陽極區的觀測有助于揭示太陽磁場的產生過程。

▲ 太陽神號探測器

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

1974 年，“太陽神1 號”進入近日點4600 萬千米、遠日點1.48 億千米的軌道，距太陽0.311 個天文單位，科學家們發現這里的溫度低于設計指標，于是在1976 年把“太陽神2 號”送入更接近太陽的軌道，近日點只有4200 萬千米，0.291 個天文單位，創造了太陽近距離觀測新紀錄。

2018 年，帕克太陽探測器發射升空，最終計劃飛越距離太陽表面620萬千米，約0.04 個天文單位處，創造與太陽距離的新紀錄。為了保持工作溫度，工程師們利用碳復合材料為探測器制作了保護罩。工作過程中，保護罩朝向太陽的一面最高溫度可達1400 攝氏度左右，在它的保護下，探測器的工作環境溫度僅有29 攝氏度。日冕中的太陽風的溫度雖然高達數百萬攝氏度，但由于太陽風的密度極低，不會對探測器的正常工作造成影響。

此外，帕克探測器的太陽能電池板采用了可調節朝向設置，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，能夠及時帶走積聚的熱量，確保在最嚴酷的太陽輻射下，將太陽能電池板的溫度保持在150 攝氏度左右。

2020 年2 月，歐空局和美國宇航局聯合研制的“太陽軌道器”發射升空，將到達與太陽最近距離60 個太陽半徑，約0.28 個天文單位的位置，對日球層和太陽風進行詳細測量，并對太陽的極地區域進行近距離觀測。

太陽軌道器采用先進的隔熱板、可旋轉太陽電池板和可折疊天線等技術防止過熱。隔熱板最外層是磷酸鈣制劑，具有極強的吸熱能力；下一層由 20 個薄薄的鈦層組成，可承受500攝氏度高溫；基座本身是一個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入太陽環境或者不受太陽環境影響的條件，以允許多個原位探測儀器和遙感觀測儀器同時工作。

▲ 太陽軌道器