剛落月又探日印度首個太陽探測器升空

文/張晨

2023 年9 月2 日14 時20 分，印度的PSLVXL 運載火箭將印度首個太陽探測器“太陽神-L1”（Aditya-L1，Aditya 是梵語中太陽的名字）從薩迪什·達萬航天中心送入預定軌道。雖然火箭飛行出現一些問題，但還是將探測器準確送入預定軌道。該探測器將經過127 天的飛行后抵達環繞日地L1 點的Halo 軌道。這是印度首個太陽探測器，如果不出意外的話，也是印度首個抵達日地L1 點的航天器。

在此之前的2023 年8 月23 日，印度的“月船3 號”成功著陸在月球南半球高緯度地區，使印度成為了第四個成功實現月面軟著陸的國家。剛剛落完月又探日的印度，這次又做出了一個怎樣的航天器呢？

▲ “太陽神-L1”搭乘PSLV C57 火箭發射升空

▲ 5 個日地拉格朗日點的位置，L1 是最接近太陽的

▲ 與PSLV XL C57 火箭整合中的“太陽神-L1”

日地L1 點的“印度之光”

研制太陽監測衛星計劃最初是由印度空間研究組織咨詢委員會在2008年1 月提出的。當時，該組織計劃于2012 年發射一顆400 千克的衛星并且在800 千米太陽同步軌道上運行，航天器攜帶一臺可見發射線日冕儀（VELC）以探測1.05～1.5 倍太陽半徑的日冕大氣。該任務被命名為“太陽神-1”。選擇在2012 年發射，可以趕上當時的太陽活動極大期，以獲得足夠的日冕活動數據。但是VELC運行需要更大的平臺，因此印度空間研究組織咨詢委員會后來又建議建造一顆更大的探測器并且將其發射至日地L1 點。

日地L1 點屬于5 個拉格朗日點之一，位于太陽和地球之間，距離地球150 萬千米，并且和地球同步圍繞太陽公轉，因此也被稱為“平動點”。L1 點是目前太陽探測器常用的位置。探測器發射至此可以不受日食、地影等影響，可持續觀測太陽。經過研究，印度空間研究組織將該航天器任務修改為前往日地L1，名稱也改為“太陽神-L1”。該探測任務于2015 年被批準，當時項目預算為40 億盧比（折合2 億美元），發射時間推遲到2019-2020 年，以趕上一個新的太陽周期。

奔日的過程

太陽神-L1 探測器的發射質量為1480.7 千克，其配置兩片單片展開式單軸旋轉太陽翼，對地通信的高增益天線和4 個S 波段測控天線，1 個統一S 波段測控天線（USB）安裝在對地面板，而載荷面頂板用于安裝一部分儀器和兩個星敏感器。

太陽神-L1 探測器采用印度航天器中常用的440 牛推進器和4 個姿態控制推進器，推進劑采用一甲基肼/綠色四氧化二氮，基于印度同步軌道I-1K（IS-1000）衛星平臺建造。鑒于PSLV 火箭入軌精度不足和運載能力有限，無法直接將探測器送入直飛日地L1的軌道（若火箭初始軌道超差，則載荷會直接進入日心軌道，航天器會徹底損失），因此印度空間研究組織選擇將太陽神-L1 探測器送入近地點230 千米、遠地點19500 千米的過渡軌道。

▲ “太陽神-L1”前往日地L1 的軌跡

進入過渡軌道后，探測器在該軌道上進行自檢，隨后通過4 次軌道抬升前往日地L1，為防止機動精度不足，還在此安排了一次軌道精度修正。太陽神-L1 探測器將在距離地球918000 千米時離開地球引力范圍，并在發射后127 天抵達距離地球150萬千米的日地L1 點，隨后經過一次機動進入周期為177.86 天的Halo 軌道。但位于日地L1 點上的探測器受到的擾動會被放大，如果不加以修正會導致探測器迷失在日地空間，因此太陽神-L1 探測器需要攜帶足夠的燃料以維持其5 年設計壽命中的軌道維持需求。

發射太陽神-L1 探測器的PSLV XL C57 運載火箭是印度的一款中型主力運載火箭。該火箭采用較為新奇的固-液-固-液四級串聯方案。該火箭一級配置為500 噸的S139 固體火箭發動機，并可選配0～6 個助推火箭。PSLV-XL 為最大的6 個S12 固體火箭助推器構型，起飛質量達320 噸，可將3.8 噸的載荷送入繞地軌道，將1.3噸的載荷送入地球同步轉移軌道。雖然該火箭運載能力不如GSLV 火箭和LVM3 火箭等，但由于該火箭廉價且易于操作，已發射過不少著名的印度航天器，如月船1 號月球探測器、曼加里安號火星探測器、印度區域導航衛星系統等。

▲ PSLV XL C57 火箭轉運至發射工位

探測太陽能得到什么？

太陽，作為離我們最近的恒星已經得到了各方面詳細的研究。人類系統觀測太陽已有300 多年，并且基于觀測和模型建立了太陽物理學。太陽物理學已經成為天體物理學中一個成熟和獨立的學科分支。雖然隨著觀測和建模技術的進步，一些現象已經得到了解釋，但仍有一些懸而未決的科學問題沒有得到解答。

▲ “太陽神-L1”被裝入PSLV 火箭的整流罩中

太陽色球層、過渡區和日冕的溫度達到數萬至數百萬攝氏度，遠高于太陽表面近6000 攝氏度的溫度。那么是什么機制將其加熱至如此高溫的？日冕加熱機制同樣存在一些未解之謎，比如耀斑和日冕物質拋射（CME）噴發時，將大量的顆粒物質和能量噴射到星際空間，對空間天氣及其地球都有直接影響，但這些太陽活動的能量來源仍然難以通過已有的機制來解釋。“日冕加熱和限制等離子體”的可能方法在建造可行的核聚變反應堆方面有潛在的應用，而理解“太陽爆發”將有助于保護地面電力和通信系統免受嚴重破壞。太陽神-L1探測器計劃使用一套儀器，可以更好地了解這顆恒星。

太陽神-L1 探測器還攜帶了用于測量探測器所在日地L1 點附近的空間天氣的儀器。這些儀器可以監視太陽風和太陽活動并提供預警，因為一些強烈的太陽活動，如耀斑和日冕物質拋射產生的高通量、高強度的帶電粒子流會擾亂地球磁場，嚴重的可能導致衛星失效，甚至摧毀地面的電力設備。這對現代社會來說是極其致命的，因此空間天氣觀測和太陽活動預警很重要。

▲ “太陽神-L1”的科學儀器及其位置

“太陽神”是如何觀測太陽的

為了提升太陽神-L1 探測器的科學數據產出和科研價值，印度空間研究組織為太陽神-L1 探測器制定了9個科學目標：太陽高層大氣（色球層和日冕）動力學研究；研究色球和日冕加熱、部分電離等離子體的物理、日冕物質拋射的啟動和耀斑；觀察日地L1 原位粒子和等離子體環境，為研究太陽粒子動力學提供數據；研究日冕物理及其加熱機制；日冕和日冕環等離子體的診斷：溫度、速度和密度研究；日冕物質拋射的起源、發展和運動研究；確定在多層（色球層、日冕底層和日冕頂層）發生太陽活動的順序；日冕中的磁場拓撲和磁場測量；空間天氣的驅動因素（太陽風的起源、成分和動力學）研究。

▲ 可見發射線日冕儀（VELC）

“太陽神-L1”探測器作為印度首個空間天文臺，攜帶總重244 千克的各項科學儀器。對于一個不到1.5噸重的航天器來說，這個數字不算小了。這7 臺儀器分為2 類：4 臺儀器用于觀測太陽，3 臺儀器用于日地空間原位環境觀測。在太陽神-L1 探測器的研發過程中，印度空間研究組織邀請印度各種研究機構和大學，對探測器的載荷設計提出建議，根據載荷的科學價值和技術可行性，最終為太陽神-L1 探測器選擇了7 個有效載荷。

可見發射線日冕儀（VELC）由印度天體物理研究所（IIA）研制，是太陽神-L1 探測器的核心載荷。VELC安裝在太陽神-L1 探測器的載荷面頂板上，旨在研究日冕的診斷參數以及日冕物質拋射的動力學和起源。該儀器配備3 個可見光通道和1 個紅外通道，可以測量最高達到幾十高斯的日冕磁場強度。為實現對太陽邊緣大氣的探測，可見發射線日冕儀中央配置了遮光板以屏蔽來自太陽的強烈光線，這種類似人造日食的方法使得日冕的微光能夠被更明顯地探測到。通過一套四反系統和一些濾光片將光線導入傳感器，該儀器以四種可能的模式運行，重點關注日冕活動強度振蕩、日冕環路的動力學、日冕磁場拓撲和日冕物質拋射研究。

太陽紫外線成像望遠鏡對太陽光球層和色球層進行成像，并測量太陽輻照強度的變化。該載荷由印度高校間天文學與天體物理學中心(IUCAA)研制，安裝在太陽神-L1 探測器的載荷頂板上，配置有光學系統保護蓋。同時，太陽紫外線成像望遠鏡將提供穿過太陽光球層、色球層和溫度最低層的不間斷觀測。

太陽風粒子實驗旨在研究太陽風特性的變化及其分布和光譜特征，通過測量其性質，如成分、溫度、速度等，可以了解太陽風起源、行為以及與太陽系內物質的相互作用。此外，它還將通過測量數據確定日冕物質拋射何時到達日地L1，對日冕觀測提供補充。該儀器由物理研究實驗室（PRL）研制。太陽風粒子實驗包括兩臺互補的測量儀：太陽離子風光譜儀（SWIS）和超熱高能粒子光譜儀（STEPS-1）。太陽離子風光譜儀是一種低能粒子光譜儀，設計用于測量太陽風中的質子和α 粒子的能量和入射方向。超熱高能粒子光譜儀是一種用于測量太陽風高能離子的光譜儀，該儀器用于研究太陽風中那些強度明顯高于平均數的粒子。

等離子分析儀器組由空間物理實驗室（SPL）和維克拉姆-薩拉巴依航天中心（VSSC）合作研制，旨在了解太陽風和行星際介質的成分及其能量分布，并借此確定太陽風的組成和能量分布。該儀器安裝在太陽神-L1探測器的對日面上，等離子分析儀套件也由2 臺不同探測方向的子儀器組成：太陽風電子能量探測器（SWEEP）和太陽風離子成分分析儀（SWICAR）。

▲ 等離子分析儀器組（PAPA）

▲ 太陽低能X 射線光譜儀（SoLEXS）

▲ 太陽神-L1 太陽探測器將開展為期5 年的太陽探測

太陽低能X 射線光譜儀是一臺軟X 射線光譜儀，由信息分享和分析中心（ISAC）研制，旨在研究1-30keV范圍內的X 射線爆發。該儀器通過監測軟X 射線通量以研究日冕的加熱機制，通過測量日冕溫度分布的差異和等離子體豐度來確定太陽大氣的結構模型和組分。太陽低能X 射線光譜儀安裝在探測器的右側板頂部。

高能L1 軌道X 射線光譜儀由印度空間研究組織和烏代浦太陽觀測站(USO)、物理研究實驗室聯合研制，是一臺硬X 射線光譜儀，具備3°的視場。該儀器用于觀測太陽耀斑活動中放出的硬X 射線，并且通過觀察硬X 射線的爆發研究耀斑生成機制。高能L1 軌道X 射線光譜儀安裝在探測器對日面板左上側。

磁強計（MAG）包括一個4 折、總長6 米的展開式吊臂，在吊臂的3米處和6 米處和各有一臺磁強計，采用吊臂展開是為了盡可能使磁強計不受到探測器磁場的影響。兩臺磁強計均使用鐵磁性材料的環芯，用于測量行星際磁場的動態變化，并且可通過數據了解極端太陽事件，如日冕物質拋射以及所有的極端太陽事件如何影響地球空間環境。磁強計由光電系統實驗室（LEOS）和ISAC 聯合研制，在發射時它收起在探測器對日面的底部。

雄心與現實

印度的深空探測充滿了雄心和窘迫的矛盾。一方面，印度試圖使用較少的經費來達到接近各航天大國的大型昂貴航天器的效能；另一方面，缺乏技術積累和經費使得這些航天器多少有一些不同尋常，并且很可能只是起到象征性的作用。印度自2008 年以來發射了火星探測器、月球著陸探測器和太陽探測器，在達成相同的目標情況下，這些深空任務的成本相比一些航天大國要低一些。但一些深空任務只是面子工程，如讓印度人自豪的火星探測器沒有任何科學產出。

印度空間研究組織主席在早些時候的訪談中指出由于經費限制，印度并沒有開展第二個火星探測器和第三次自主月球著陸任務的計劃，但該組織又宣布自己在“月船3 號”的軌道器上攜帶了試驗性的放射性同位素加熱裝置，用于未來能夠度過月夜的月球著陸器。目前印度僅剩的深空任務就是和日本合作的月球南極探測計劃，計劃于2027 年發射并著陸在月球南極的沙克爾頓撞擊坑。

但無論怎樣，作為一個雖然不大但承擔著不少科學載荷和任務的航天器，“太陽神-L1”無疑是太陽科學衛星中一個不可忽視的存在。隨著該探測器成功發射，人類對于太陽活動的監視能力得以進一步提升，同時將為提供更全面更早的太陽活動預報做出不可忽視的貢獻。