欧美发射太阳轨道探测器推动抵近太阳观测

SolO任务历程回顾

北京时间2020年2月10日12:03，欧洲空间局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）联合研制的太阳轨道探测器（Solar Orbiter，以下简称SolO任务），搭载美国宇宙神-5（Atlas V）火箭从美佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，开启其雄心勃勃的抵近太阳观测、实现人类首次太阳极区成像的科学探测之旅。在人们欢呼其成功发射之际，需要特别指出：这一科学卫星任务从提出到立项研制，迄今已经历时20余年。

1998年3月，SolO任务概念首次公开露面，其提出者为德国马普学会E. Marsch教授。在西班牙特里内费（Tenerife）举行的欧洲“太阳及日球层物理学十字路口”研讨会上，SolO任务第一次进行了交流报告[1]。1999年，ESA的欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）对其开展了并行设计实验室（CDF）预评估研究。2000年Marsch等人在ESA灵活类科学任务建议征集（F2/F3）时提出了申请。2000年10月，ESA科学计划委员会（SPC）批准将其纳入2008~2013发射时间框架，在贝皮•科伦布（BepiColombo）任务发射往水星之后发射。2001年5月，首届SolO任务专题研讨会在Tenerife举行。

接下来，SolO任务还经历了近20年的漫长关键技术攻关和任务重组之路。2002年春，ESA对科学计划进行了再次评估；5月，ESA科学委员会批准将SolO与BepiColombo任务作为一个任务组（mission group）实施。ESA宣布NASA将参与SolO任务，作为国际与日共存计划（ILWS）的一部分，正如欧洲参与NASA的LWS/STP 计划一样。自此，SolO成为欧美联合任务[2]。

2003年11月，ESA科学计划委员会对BepiColombo任务进行了再次评估，决定保留SolO任务在《宇宙憧憬：欧洲空间科学2015~2025》规划中的位置。在2004年6月7~8日举行的第107次科学委员会会议上，确定SolO的发射窗口为2013年10月，最晚不迟于2015年5月。2005年4月，SolO任务被列入ESA正式发布的《宇宙憧憬》[3]。2011年10月，ESA科学计划委员会确定SolO任务为ESA的第一个中型任务（M1），预期于2017年发射。自此，SolO任务走上研制发射正轨。

2015年6月，为了对探测器的所有部件进行充分测试（图1），确保科学目标实现，ESA宣布将其发射日期推迟到2018年10月。其后又经历了2次推迟，发射时间从推迟到2019年2月，直至2020年2月。其发射窗口也从计划的2020年2月6日凌晨（UTC）最终变更为2月10日（UTC）凌晨。

图1 2019年2月SolO探测器在德国工业设备管理公司（IABG）奥托布伦实验室进行振动试验（来源：ESA官网https://sci.esa.int/web/solar-orbiter/-/61256-preparations-for-solar-orbiter-vibration-test）

 SolO任务的科学特色

SolO任务由ESA主导，NASA参与联合研制。探测器的发射质量为1800kg，卫星本体尺寸为2.5m ×3.1m ×2.7m，由6块2.1m ×1.2m的蜂窝板组成其对称的双太阳能电池帆板，展开后卫星总长度达18m。卫星有效载荷质量为209kg，功耗180W，磁强计等的伸杆长度达4.4m，另有3根各长6.5m的无线电和等离子体波天线。

2.1科学目标致力追溯太阳风和太阳爆发根源

SolO将对太阳及其高纬度地区进行史无前例的近距离观测，是人类首个对太阳南北极区进行成像的科学任务，将极大增进人类对太阳爆发及其驱动的空间天气、恒星太阳如何生成包裹整个太阳系并影响其中行星的日球层等空间科学重大前沿问题的理解。SolO任务的首席科学家为ESTEC的Daniel Muller，任务的主要科学目标包括4方面[4]：

（1）太阳风和日冕磁场

研究太阳风的驱动机制，日冕磁场起源；太阳表面等离子体与日冕加热/太阳风产生和加速的物理机制；近距离详细测量太阳风组成。

（2）太阳瞬态过程及其影响

近距离观测耀斑和日冕物质抛射（CME）等太阳瞬态过程，以及这些瞬态过程对进入太阳大气的等离子体及日球层的影响。

（3）太阳爆发及其产生的能量粒子

追踪太阳能量粒子事件的起源，对这些粒子的来源环境在不同波长下进行测量和成像，提供理论模型对比亟需的真实数据，回答太阳能量粒子如何导致地球极端空间天气事件等重要科学问题。

（4）太阳磁场起源

探索人类尚未完全了解的太阳发电机机制，研究太阳内部磁场如何产生、太阳磁场极性翻转时极区发生了什么，以及太阳磁场如何通过日冕大气传播至日地空间乃至整个日球层。

2.2有效载荷综合应用就位探测和成像探测

为实现上述科学目标，SolO探测器上搭载了就位探测器和遥感探测器2类10种共计15台套有效载荷[5]，它们单独或协同完成对湍动的太阳光球、日冕大气，太阳磁场和极区冕洞，以及太阳风的组成及其日球层/行星际传播的高分辨率成像或探测数据（表1）。可以预期，在由8国10位载荷首席科学家领衔的核心科学团队，以及全球太阳物理与空间物理科学家对探测数据的深入研究基础上，SolO任务有望推动人类对太阳11年活动周变化规律的理解，也有助于更好地预报地球空间天气，规避和减缓极端空间天气事件的影响。

表1 SolO探测器有效载荷配置一览表

图2 SolO探测器有效载荷示意图

（来源：ESA官网https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/01/Solar_Orbiter_Instruments）

2.3借助引力弹弓轨道设计实现太阳极轨探测

SolO任务设计寿命7年，预期延寿3年。2020年2月10日发射升空后，它将借助地球和金星的引力弹弓（2次金星、1次地球）进行变轨，经过21个月约1.8年的巡航飞行后，于2021年11月进入任务运行轨道，在位于黄道面、水星内侧的日心大椭圆轨道上对太阳开展近距离探测，每6个月通过1次近日点，其中2022年10月探测器与太阳的最近距离仅4200万公里（约0.3AU）；在任务后期及延寿期的拓展任务阶段，它将再次借助金星引力进行多次变轨、逐渐抬高其与黄道面的轨道倾角，实现对太阳高纬度地区和极区冕洞等的拍照和探测，并与2018年发射升空的帕克号太阳探测器（PSP）对太阳进行协同观测。

根据任务规划，发射5年后，2025年3月，探测器将以17°轨道倾角首次通过太阳极区，至2027年1月，探测器轨道倾角将抬高至24°。拓展任务阶段预计从2026年12月开始，2028年4月探测器轨道倾角突破30°，到2029年7月探测器轨道倾角将抬高到33°。探测器累计绕日运行22圈，最终实现居高临下、人类首次从南北两极对太阳的高分辨率成像等重要突破。

2.4 SolO任务引领抵近太阳探测跨越

无论是从天体物理学开展恒星研究的角度，还是从满足地球人类可持续发展的需求而言，研究太阳的物质组成、活动演化、能量传输以及日地联系等都具有重大的科学意义和社会需求。

如表2所示，20世纪90年代以来，美、日、欧等空间科学强国和机构实施的主要空间太阳物理探测任务呈现出从地球轨道探测向日地拉格朗日L1点再向抵近太阳/黄道面外探测的趋势。近距离、高时空分辨率探测太阳日显重要。这既得益于深空探测依赖的运载火箭、轨道设计、探测器热控等技术的进步，更源于对太阳进行精细探测、深入研究CME等太阳爆发在日球层传播，以及太阳极区磁场在太阳活动周中的作用等重大科学需求的驱动。立体探测、成像类有效载荷的作用日愈得到空间科学家的高度重视。帕克号探测器与SolO任务都反映出，国际太阳物理界急于破解CME、耀斑等大尺度活动与太阳磁场各种尺度运动的内在可能联系的急迫需求。

表2 1990年代以来主要空间太阳观测任务一览表

（资料来源：各科学任务官方网站）

 推动我国空间太阳深空观测任务

我国空间科学高度重视太阳物理探测，多个中长期规划均将“太阳系和人类的关系是怎样的”列为我国空间科学重大主题，并提出了“太阳显微计划”、“太阳全景计划”以及“链锁计划”等系列规划建议[6]。中国科学院空间科学战略性先导科技专项先后部署了一批空间太阳探测概念研究和预先研究课题，以及夸父计划、太阳极轨望远镜计划（SPORT）、先进天基太阳天文台（ASO-S）等背景型号研究。中科院国家天文台等也一直致力于推动拟运行于日地L1点的深空太阳天文台（DSO）在国家民用航天等渠道立项，力争在太阳磁场精细结构等的观测方面取得突破。

其中，ASO-S以太阳活动第25周峰年作为契机，围绕“一磁两暴”科学目标，着力揭示太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的起源及三者之间可能存在的关系，并将实现我国太阳卫星探测零的突破。它将搭载全日面矢量磁像仪（FMG）、太阳硬X 射线成像仪（HXI）、莱曼阿尔法太阳望远镜（LST）3个载荷，在720km高度的太阳同步轨道上开展观测。ASO-S已于2019年4月转入初样研制阶段，预计在2022年底具备发射条件，设计寿命不少于4年[7]。

随着我国长征五号重型运载火箭于2019年2月27日复飞成功，为我国科学家牵头实施L1点乃至抵近太阳探测或太阳系边际探测任务奠定了重要基础。过去5年，国际上最有影响的天文学论文中，80%以上与重大设备数据释放和观测发现直接相关[8]。在此，我们呼吁国家适时支持我国太阳物理深空探测任务立项实施，推动我国在太阳观测及研究的国际前沿领域取得系列重大原创科学突破。