太阳再热，也要去看一眼！

文/ 迟惑

▲ 太阳轨道器运行示意图

2月10日，欧空局从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射了全新的太阳轨道探测器，开始了飞向太阳的科学考察和冒险之旅。自古以来，人们对太阳就充满了崇拜。现代人类了解到太阳的真实面目之后，启动了一系列宏大的科学计划，太阳轨道器是其中最新的一个。

奇特的轨道

太阳轨道器的想法是2000年提交给欧空局的，欧空局的科学计划委员会在2000年10月认为这个想法可行，于是把它列为灵活任务，打算在2008—2013年时间段内择机发射，排在贝皮·科伦布水星探测计划之后。2002年5月，欧空局科学委员会再次确认了太阳轨道器计划的必要性。到2004年，欧空局把太阳轨道器列入宇宙视野计划的大框架之中，原本打算在2013年10月发射，后来调整到不晚于2015年5月。因此，它的设计很早就完成了，包括最为重要的防热设计。虽然推迟了5年才发射，也算有始有终。

太阳轨道器的主要任务，是探索太阳以及太阳领域，为人们解读关于这两个领域的很多基础问题，是太阳探测领域的一个重大进步。

太阳轨道器将部署在环绕太阳飞行的轨道上，按照最初设计，它距离太阳最近的时候只有0.228个天文单位。这是人类有史以来第一次把探测器送到离太阳如此之近的地方来实施现场观测，并且拍摄高分辨率图像。另外，太阳轨道器还将第一次离开黄道面，实现相对于太阳赤道超过30度的轨道倾角，在这个轨道上拍摄太阳图像，以及对太阳极区进行光谱学观测。

要实现这样的近距离大倾角轨道，需要高能量的轨道转移，以现有的常规推力系统，不采用天体引力辅助机动，是做不到的。太阳轨道器将采用引力辅助机动来实现这样的轨道。通过金星的牵引，太阳轨道器最终实现的是一种叫做3:2的共振轨道，也就是说在这个轨道上，太阳轨道器每次和金星交会，都能利用它的引力来加大倾角，最终实现的轨道叫做科学轨道。进入这条轨道后，只需要进行少量轨道保持推进就可以了，消耗的推进剂不多。在方案论证期间，人们曾经提出了两种实现方案。第一种是采用太阳能电推进，第二种是采用化学推进。因为当时的想法是用俄罗斯联盟火箭来发射，所以两种推进方案都不能超过联盟-微风上面级的运载能力，但最后，俄罗斯火箭的方案被放弃了。

▲ 太阳轨道器的变轨

电推进方案打算实施两次金星引力辅助变轨和一次地球引力辅助变轨，整个飞行过程需要1.8年。为了简化热设计，进入科学轨道后，在实施第二次金星引力辅助变轨之前，就要把太阳能电推进模块丢弃，然后探测器就可以进入目标轨道了。

化学推进方案则打算实施两次地球引力辅助变轨和两次金星引力辅助变轨。在飞行期间执行数次脉冲喷射机动，在实施第二次金星引力辅助变轨之前，就需要飞行3.4年。经过反复权衡，为了沿用贝皮·科伦布探测器上的成熟技术，欧空局最后还是选择了化学推进方案。

▲ 科学仪器组成

▲ 太阳轨道器大小只有帕克的一半

▲ 太阳轨道器的天线可以折叠起来防热

现在我们来详细解释一下太阳轨道器的变轨策略。发射之后，它首先要对平台和系统进行自检，然后向太阳飞行，到2020年6月，它将抵达距离太阳0.5个天文单位的地方。到2021年11月前，它要实施两次金星引力牵引变轨和一次地球引力牵引变轨，进入太阳系的最内层，这时就可以打开所有科学仪器实施观测。第一次通过近日点将发生在2022年3月，距离太阳0.33个天文单位。太阳轨道器最终环绕太阳飞行的轨道周期是180天，也就是说，大约每6个月就要抵达一次近日点。探测器轨道的选择与金星轨道是“共振”的。金星的公转周期是224天，也就是说，探测器每运行6圈左右，就能够和金星交会一次。一开始，太阳轨道器的轨道倾角和金星差不多。但是每交会一次，就能利用金星的引力来把轨道倾角提高一点。这就意味着，它每转一圈，就能从一个不同的角度来观测太阳。太阳轨道器的工作寿命设定在4年，在任务末期，它相对于太阳的轨道倾角会达到17度。如果4年任务之后，太阳轨道器没有被晒坏，还能继续工作，那么就可以继续提升轨道倾角，最终达到33度。

和日本、印度不同，欧洲拥有自己的深空测控网，因此太阳轨道器虽然要和美国的帕克太阳探测器协同工作，但它的测控通信主要还是由欧洲自己承担。任务控制中心设在德国中部小城达姆施塔特，这里是欧空局的欧洲空间运行中心所在地。但用来接收数据的35米大天线却不在欧洲，而是设在阿根廷门多萨省的马拉圭。设在澳大利亚诺西亚和西班牙赛富雷罗斯的天线作为备份。

因为不能保证实时通信，所以太阳轨道器获取的科学数据首先要存储在星上，等到对地通信的时间窗口打开，就抓紧时间下行，窗口时间一般长8个小时。

科学运行中心设在西班牙的拉卡尼亚达，这里是欧洲空间天文中心所在地。如前文所述，太阳轨道器的每一圈轨道都会发生倾角变化，所以每一圈的科学任务都要重新规划和实施。

▲ 太阳轨道器是在英国设计制造的

仪器要防热

科学家们为太阳轨道器设计了防热保护罩，用以保护太阳轨道器本体的正常工作温度。除此之外，探测器上搭载的仪器、天线和太阳电池，也有着独特的工作要求和具体设计。

太阳轨道器携带的10件仪器同样是向欧洲各国研究机构招标而来的，经过有效载荷工作组审定之后，才能进入总体设计。

这10件科学仪器都在保护罩的后面。但是当它们开展工作的时候，必须能“看见”太阳，至少要能“看见”太阳附近的空间。为了完成科学目标，这10件仪器分成了两大类。一类是“原地测量”，一类是“遥感”。原地测量设备用来测量太阳轨道器所在位置上的空间环境。不过原地测量设备也不一样，有些躲在防热保护罩后面就可以工作，有些必须正对太阳。所以后者配备了单独的小型热防护罩。遥感测量设备就必须正对太阳了。因此，在热防护罩上还开了一些小窗口，用滑动门保护起来。需要测量的时候，把门打开，露出测量设备的探头。

考虑到这些仪器的工作要求都不相同，因此每台仪器都有自己的温度控制系统，彼此独立。一般来说，观测孔径越大的仪器，伺候起来越麻烦。太阳轨道器上孔径最大的两件仪器是磁强计和日冕仪。

日冕仪自己带有一个能防高温的遮光体，它可以把热量辐射到宇宙里去，以此来控制日冕仪本身的温度。在遮光体后面设有一个反射镜，可以把阳光反射到日冕仪内用于测量。这样，日冕仪所吸收到的阳光就非常少了，既可以保证测量，又不会被烤坏。

至于磁强计，它的外侧设置了一个滤波器，可以把入射的阳光排除掉95%。这个滤波器本身的吸收率只有10%。它的研制也是整个太阳轨道器设计研制中的一个难点。设计完成后的磁强计由两个磁通量闸组成，都安装在探测器后方的设备架上，在设备图中可以清晰地看到。它的电子设备盒则设置在探测器本体之内。

另有两个设备也需要提一下。太阳空间成像仪（SoloHI）设置在防热保护罩的侧面，并不直接面对着太阳。太阳轨道器平台上的多数元器件都需要一个稳定的运行环境温度。为了满足这个要求，必须为探测器设置防热保护罩。这个保护罩要覆盖探测器平台本身和一部分外置器件，还要开出窗口，供一些遥感设备工作。不过，有些外部附件要暴露在太阳辐射之下，所以设计时要提出特殊的技术要求。X射线光谱仪（STIX）用来测量X射线，所以它的表面是不透明的。STIX直接布置在防热保护罩的后面，还增加了一层红外反射屏来降低温度。

数据怎么发回来

▲ 太阳轨道器最后还是采用了化学推进方案

▲ 太阳轨道器最后选用宇“宙神5”发射

费了这么大力气研制出来的探测器，获得的探测数据当然是非常宝贵的。然而怎么才能把这些数据送回来？当然是通过天线了。但是作为近日飞行器，天线设计也是个大问题。太阳轨道器距离地球遥远，天线太小了还不行。因此，任务团队设计了一种叫做高温高增益天线的设备，是在贝皮·科伦布计划基础上改进而来。熟悉航天器设计的人们都知道，高增益天线一般是非常薄的抛物面，它的形状精度要求非常高，对热胀冷缩引起的变型也非常敏感，所以在探测器接近近日点或者远离近日点之前，这个天线都是收起来的。具体的要求是，只要接近到0.3个天文单位以内，就把它折起来，置于防热保护罩和探测器本体的遮挡之下。在这段时间里，地球就失去了和太阳轨道器的联系，不能对它发送指令，也不能从它那里得到回传的科学数据。除了天线反射面本身，馈源的设计也具有很大挑战性，这种娇贵的器件很难耐受高温，因此设计师们采用了钛合金、碳化硅和碳纤维增强复合材料来制造馈源，这样它就能耐受不超过300摄氏度的高温。

你不要太来电啊

太阳轨道器的太阳电池设计具有极大的挑战性。太阳电池不仅仅要在近距离上保持工作能力，还要在整个飞行过程中做到电力稳定输出。这是很容易理解的，太阳轨道器一进入宇宙空间，就必须靠太阳电池发出的电力来正常工作。但是，地球轨道上的太阳辐射强度是一定的，越是接近太阳，辐射强度就越高。在科学轨道上，太阳轨道器经受的太阳加热是在近地轨道上的13倍。

如果太阳电池产生的电压太高或者电流太大，会烧坏电路，这就变成坏事了。更麻烦的是，在整个变轨飞行期间，还可能出现距离太阳1.5个天文单位的情况，也就是地球到太阳距离的1.5倍。

这样大幅度的距离变化，太阳电池该怎么设计和使用呢？最简单的办法就是控制倾角。当太阳轨道器距离太阳比较远的时候，就减少相对于太阳的倾角，让阳光尽量直射在电池阵上。当距离太阳比较近的时候，就加大倾角，只接受一小部分阳光，免得温度太高。而当轨道器处在距离太阳较远位置的时候，可以旋转回来更多地正对太阳，来获得足够的能量。

这听起来很容易，不过在大倾角情况下，需要面对太阳电池本身的边缘效应、内部反射和光伏单元衰减等复杂的问题，而且改变倾角可能带来电池阵温度的大幅度变化。所以，电池阵相对于太阳的倾角不能大于70度。如果采用三结式砷化镓电池，那么在70°倾角时，光伏单元的工作温度会接近300摄氏度。这是不可接受的。因此，可以考虑用光学太阳反射器来替代太阳电池。

▲ 太阳轨道器抵达美国

太阳电池阵的底部采用增强碳纤维复合材料，来增强对高温的耐受能力。经过综合设计，太阳电池的工作温度可以控制在230摄氏度。

▲ 太阳轨道器飞越金星的想象图

太阳轨道器到位后，将与美国宇航局的帕克太阳探测器协作，对太阳进行近距离观察。帕克在2018年8月12日发射，目前已经进入工作位置。

帕克所携带的仪器比太阳轨道器略少，但它距离太阳更近一些。帕克同样采用了行星引力辅助变轨方式来接近太阳。帕克是目前人造物体接近太阳的纪录保持者，2019年4月4日，它抵达了距离太阳只有2400万公里的位置。然而这还不是最近的位置。帕克打算实施24次近日交会，距离最近的时候，到太阳表面只有620万公里。因此，帕克的热防护罩比太阳轨道器更加厚重。

帕克将直抵日冕爆发成太阳风的区域，用仪器对日冕进行直接采样。这将为科学家们提供有关区域等离子体情况的“铁证”，也能更好地为人们指出太阳风是怎样推动行星的。帕克没有直接拍摄太阳的相机，现有的技术无法制造出在如此近距离上拍摄太阳的设备，不过太阳轨道器上的相机可以作为补充。

如果把太阳轨道器和帕克的数据对照起来，可以获得超出这两个航天器本身单独运行的科学成果。

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太阳为什么如此吸引人类眼球？

太阳是离我们最近的一颗恒星，这颗气体恒星几乎占据了太阳系的全部质量，最大的行星——木星的质量仅为它的千分之一。在给地球生命带来光和热的同时，“巨无霸”太阳也与地球生命形成了一个异常紧密的联动体。

太阳大气从内向外可分为光球、色球和日冕三层。太阳所有光能均由光球发出，这是地球上灿烂阳光的源头。光球之上1500公里左右是色球层，这一层由较稀薄的气态物质构成。而太阳大气最外层的那部分则叫做日冕，由更稀薄的气体组成。

拥有三层结构的太阳大气既不均匀，也不宁静，经常发生频繁的大气活动。太阳黑子、耀斑（太阳色球和日冕过渡层上发生的一种局部辐射突然增加的现象，短时间内会释放出大量能量）、谱斑、日冕物质抛射（大规模太阳物质喷发）和太阳射电等变化都是太阳大气十分活跃的表现。

科学家发现，频繁的太阳活动会使电磁波辐射增强，会产生太阳风暴，会使得高能带电粒子突然增加，进而引发地球大气温度、密度、成分等方面变化，最终造成地球空间灾害性天气。这不仅会破坏人造卫星与地面的通信，导致地面导航系统失灵，而且还会威胁到人类自身的健康和周围生态环境。因此，我们必须深入了解和掌握太阳活动的规律，以便日后能够应对自如。人类对太阳了解得越多,人类的未来也会越“稳”。

虽然对人类来说，太阳是一颗独特的恒星，但事实上，无论从大小，还是从光度等物理指标来看，在茫茫的宇宙中，太阳只是一颗再普通不过的恒星。作为一颗普通的恒星，许多太阳现象已经成为整个天体物理学的基础，研究太阳可以了解核能的产生及能量传输的基本方式，让我们更深刻地理解对流、辐射和传导等物理过程。

此外，太阳还是人类目前唯一可进行高空间分辨率观测的恒星，探索太阳对人类了解宇宙中恒星结构和演化的过程具有独一无二的参考价值。人类想要在未来进行星际旅行，寻找更多适宜居住的星球的话，同样需要通过认识太阳来提高人类对整个宇宙空间环境的认知。

在很长的一段时间内，天文学家只能依赖地基设备，依靠到达地球表面的光线来间接了解太阳，这让人类对太阳的认知程度提升缓慢。现在，有了空间卫星和探测器的帮助，我们就能够获得更多太阳一手的资料，可以更直接地对太阳进行分析研究。

根据太阳活动的剧烈程度，可以把它们大致分为两类：缓慢型和剧烈型。太阳黑子、冕洞和太阳常量等这类变化周期比较长的属于比较典型的缓慢型太阳活动，而太阳耀斑、日冕物质抛射这类几乎瞬时发生的猛烈现象，可归结为剧烈活动型。

以上太阳活动都可成为太阳探测器的观测目标，尤其是剧烈型活动，像太阳耀斑、太阳风、日冕物质抛射等。不同波段的电磁辐射，紫外、x射线、γ射线等携带有太阳活动的大量信息，是名副其实的信息载体，所以，这些特征波段的电磁辐射是大多数探测器关注的对象。除了这些太阳活动之外，太阳探测器还有一个重要的观测目标就是太阳磁场，因为我们看到的几乎所有太阳活动，都是太阳的等离子体与磁场相互作用的结果。如果太阳不存在磁场，那么，太阳极有可能是一颗“老实本分”的恒星。读懂太阳磁场，就读懂了太阳绝大部分的行为。