中国又一超级工程：探索太阳的“夸父计划”

中国又一超级工程：探索太阳的“夸父计划” zt

工程总投资：15亿元左右
工程期限：2003年--2015年

中国古代有神话故事夸父逐日，讲的是神人夸父不惜生命追赶太阳。现在，我国有了探索太阳的夸父计划。如果按期实施，该计划将是世界上唯一一个系统的日地空间探测计划。


什么是夸父计划


2007年10月24日，中国绕月探测卫星嫦娥一号卫星成功发射，举国欢庆，让国际社会对中国的深空探测能力惊叹不已。也为‘夸父计划\'再发射、测控等方面奠定了极好的基础。

与嫦娥计划不同的是，夸父计划是锁定太阳的深空探测计划，又称为空间风暴、极光和空间天气探测计划，由三颗卫星组成。该计划将由一颗位于日地系统第一拉格朗日点(也称L1点，即地球与太阳之间的引力平衡点)的卫星夸父A和两颗沿极轨共轭飞行的卫星夸父B1、夸父B2组成综合观测系统，将用于连续监测太阳剧烈活动及其导致的日地空间环境连锁变化的全过程。

其中A星设置在距地球150万公里的日地连线上，用来全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象。另两颗卫星B1和B2在地球极轨大椭圆轨道上飞行，用来监测太阳活动导致的地球近地空间环境的变化。虽然夸父卫星的对地距离比嫦娥一号卫星远了4倍，但是嫦娥一号在测控方面所使用的50米大天线，该计划也会充分利用到。
夸父计划的原创性科学思想和基本概念是在2003年1月24日在国家自然科学基金委地学部关于推动空间天气研究座谈会上，首先由北京大学涂传诒院士在同肖佐、张永维总师和中国科学院魏奉思教授讨论的基础上提出的。随后，夸父计划预研成为由北京大学牵头、国家自然科学基金委支持的重点项目，并有国内外有关科技专家大力支持和参与。此后，国防科工委组织了相关评审。根据国防科工委建议，以夸父计划为基础，与中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士建议的风暴计划进行了整合，叫做夸父-太阳风暴、极光和空间天气计划。

夸父计划的科学目标是观测空间天气事件从太阳到地球的整体连续变化现象，揭示控制日地空间系统的基本物理过程，提高空间天气灾害预报的准确度，服务航天通讯等高科技活动。太阳扰动会导致卫星失灵，影响航天员安全，对地面各种通讯设备形成干扰。夸父计划能帮助人类对太阳活动进行预测预报，采取相应的防护措施。

其科学意义表现在：夸父计划将对日地空间天气系统的两端--太阳大气和地球空间--进行前所未有的时空连续、多层次的成像观测，完成从太阳大气到近地空间完整扰动因果链的探测，通过多方面的首创性监测，实现日地系统端到端的整体、连续成像观测。并预期在日地系统的能量及扰动的耦合机制如太阳爆发先兆、太阳风的形成机制等方面取得具有重要原创意义的突破性进展。届时，夸父计划将与其他空间计划一起进入以探测日地空间整体行为为标志的空间探测新纪元。

由于2012年将是下一个太阳活动峰年，2012年至2014年太阳活动将会很强烈，因此夸父计划三颗卫星建议在这个时间内发射，主要是为观测到新的日地物理现象，进一步揭示日地空间风暴机理，监测行星际扰动传播，为灾害性空间环境预报提供观测数据。初期飞行时间将为2至3年。

美国国家海洋和大气局太空环境中心将2003年11月4日爆发的太阳耀斑确定为X28级，是人类有史以来所记录的最大的太阳耀斑。

不容小视的太阳风暴及其危害

空间环境的组成，除了离地面５０至６０千米以下还保持是中性气体，高空大气则逐渐电离。从应用角度，１０００千米以下叫电离层，在更大的高度上，地球大气完全电离，电离气体的运动完全受地球磁场控制，叫做磁层。地球大气之所以电离，其能量主要来自太阳辐射。地球的磁层外面就是行星际的空间，行星际空间的物质主要是从太阳外层大气上刮出来的风，太阳风都是带电的粒子。从太阳大气到地球电离层组成日地空间，其间还有来自太阳和宇宙其他天体的高能带电粒子以及磁场。
　　我们用肉眼看到的太阳，就像一个很亮的光盘。根据物理上黑体辐射的定律，由可见光发射出来的能量和光谱的形状，这个可见光盘温度应该约有６０００度。可实际上这只是太阳表面（即光球层）的温度，在太阳光球层以上的地方温度会高达１００万度，这时它往外辐射的就是紫外、Ｘ射线、ｙ射线等。太阳表面大气最外一层是日冕，日冕分内冕和外冕，内冕只延伸到离太阳表面约０．３个太阳半径处，外冕则可达到几个太阳半径甚至更远。日冕由很稀薄的完全电离的等离子体组成。

　　太阳上还有很多剧烈的活动，比如日冕物质抛射（ＣＭＥ），就是日冕中经常会有大量的物质抛射出来。抛射速度在每秒几百千米甚至上千千米，每次抛射的物质总量可达上百亿吨。日冕物质抛射是影响近地空间环境严重的事件之一。抛射出来的东西都是带电粒子，虽然很稀薄，但是抛射的范围大，能量也很大。它们冲击到地球附近的时候就会造成对地球空间的灾害性事件。
　　太阳扰动地球空间的另一个重要因素是太阳耀斑。耀斑是太阳上某些高能的活动区在扰动的情况下，带电粒子的能量和太阳磁场的能量相互转换过程，太阳的一部分磁场加速了带电粒子的活动，耀斑爆发的时候，从紫外光一直到Ｘ射线谱段，辐射特别的增强。这种辐射对地球的影响就是直接破坏地球的电离层。短波通讯会因为短波信号被电离层的Ｄ层吸收而中断；微波导航会因为电离层不规则结构引起的信号幅度／相位闪烁而导致失去原来的导航定位精度。
　　耀斑的爆发和日冕物质抛射有时是相互伴随着的，有时又是单独的。所以它们之间的关系也是我们要研究的问题。
　　地球本身有磁场，太阳风是带电粒子。带电粒子到了地球附近的时候，跟地球磁场相互作用，磁场有时候能够挡住带电粒子，使它不能穿过磁场直接进去，所以它就沿着磁线到达地球的两极，就产生了极光。所以我们研究极光的时候，就能够知道太阳粒子的性质，有多少能量，最终会对地球造成什么样的影响。所以，＂夸父＂计划里主要就是监测日冕物质抛射和极光。


近十几年太阳风暴造成的灾难事件（不完全统计）

1989年3月13-14日，强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电；全球无线电通讯受到干扰；日本一颗通讯卫星异常；美国一颗卫星轨道下降；

1991年4月29日，强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏；

1994年1月20-21日，两个加拿大通讯卫星发生故障；

1997年1月6-11日的日冕物质抛射 使AT&T公司通讯卫星报废；

1998年5月19日美国银河四号通讯卫星失效,同时 德国一颗科学卫星报废；

2000年7月14日欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到严重损害，日本的 ASCA卫星失控，AKEBONO卫星的计算机遭到破坏。

2003年10月28日，欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害，日本回声卫星失控。

日冕

　日全食时，黑暗的太阳外围是银白色的光芒，像帽子似地扣在太阳上，因此称为日冕。日冕是太阳最外围大气。平时要观测日冕，需要用特别的日冕仪。日冕的范围很大，用日冕仪只可以观测到接近太阳表面的那部分日冕，一般叫做内冕。它的边界离太阳表面约有3个太阳半径那么远，或者说约为200万千米。在此以外的日冕叫做外冕，它向外延伸到地球轨道之外。日冕的物质非常稀薄。内冕密度稍微大一些，但它的密度也低于地球大气的十亿分之一，几乎接近真空。日冕的形状很不规则，有时候呈圆形，有时候呈扁圆形，结构也很精细，在太阳赤道四周有很多向外流动的冕流伸向远处，太阳极区则有一些纤细的羽毛状的极羽。
　　日冕的温度非常高，可达200万度。令人不可思议的是，离太阳中心最远的光球层，温度是几千度。稍远些的色球层，温度从上万度到几万度。而距离太阳中心最远的日冕，温度竟然高达百万度。这一反常的现象意味着什么，科学家们目前还未找到合理的解释。


技术攻关

夸父计划工程论证由东方红卫星公司牵头，会同北京大学、中国气象局、中国科学技术大学(与山东大学威海分校合作)、中科院空间中心等共同完成。目前，已对有效载荷对工程的要求、轨道设计、运载与发射、地面测控和测定轨、地面数据接收、卫星设计等进行了全面论证并已顺利完成，主要结论是：在我国嫦娥一期的基础上，实现地-月之间的测控技术基础已具备；在我国嫦娥二期和深空站建设完成之后(2011年)，夸父计划所需的基础技术条件将全部具备。

涂传诒、肖佐等科学家已对关键科学探测仪器(有效载荷)的研制、夸父A星的轨道设计与实现技术、夸父A星的深空自主运行技术、夸父B星的高精度姿轨联合控制实现技术等科学问题和技术难点进行了细致的分析。例如，夸父A所要到达的L1点位于日地连线上，距地球150万公里，目前，只有NASA和ESA 为数不多的航天器，如SOHO、ACE、ISEE等飞行器到达过L1点。

夸父A卫星选择哪种运载工具、转移轨道才能到达距地球约150公里的L1点；选择何种方式保持卫星轨道在L1点上；夸父A卫星如何实施远距离测控和通信；L1点通信距离上属于深空范畴，如何在深空条件下实施对卫星的测控和数据传输通信......这些都是夸父A卫星实现的关键环节之一，也是夸父A工程要解决的首要问题。

夸父B卫星飞行任务目标是实现一天24小时、一周7天连续观测北极光的分布，为了实现这个目标，夸父B有两颗同样的卫星组成：夸父B1和夸父B2。这两颗卫星的轨道要位于同一极轨上，呈共轭飞行状态,远地点高度6个地球半径，近地点0.8个地球半径。选择什么运载工具和发射方式是夸父B卫星工程要解决的关键技术。

除此之外，整个夸父计划都采用成像技术，它所使用的一些特殊成像仪器都要作技术攻关，如中性原子成像仪、太阳白光日冕仪。由于地球的外层空间有一些中性的氧原子，需要用现在的成像技术把其速度分布形成为图形，以确定在太阳有扰动时，外层空间到底是如何响应的，但是由于中性原子本身通过交换原子以后可以成像，所以这里涉及一些新的成像技术方面的难点。



国际合作

* 德国、法国、比利时、奥地利、加拿大等国10多位著名空间科学家也将参与这项由中国人发起的太阳探索计划。德国科学家莱内尔施温说，虽然近年来科学家已在日地物理研究方面取得很大进展，但对许多关键问题仍缺乏了解，比如，日冕物质抛射的前兆是什么？太阳扰动源、太阳扰动传输、扰动的地球效应等。 夸父计划有望一一解答这些问题。

　　加拿大航天局空间物理大气科学首席科学家刘维宁说：太阳扰动会导致卫星失灵，影响航天员安全，对地面各种通讯设备形成干扰。‘夸父计划\'能帮助人类对太阳活动进行预测预报，从而采取相应的防护措施。加拿大将参与设计两颗围绕地球飞行的卫星，并在卫星上搭载科学仪器。


深远的影响

中国的夸父计划与美国军方计划于2008年发射C/NOFS(通讯/导航中断预报系统Communication /NavigationOutageForecasting System) 卫星计划一样，对于空间天气预报都非常重要。夸父3颗卫星将第一次监测从太阳风到磁层的整个能量传输过程。它将可能解决地球空间对太阳风暴响应的过程中的一个重大问题，即大尺度的能量和质量是如何从太阳通过日地空间传输到磁层的。

到现在为止，只有美国在L1点上发射了太阳监测卫星(SOHO飞船)。但不同的是，中国的夸父计划是连续的日地系统的监测计划。夸父卫星的轨道设计成L1+极轨，这是一种全新的协同轨道设计。夸父B1和B2可通过成像获得磁尾磁重联所造成的磁层全局响应的信息，其成像可以使我们更精确地度量亚暴和磁暴期间能量的注入。

夸父计划的实施将使我国自主深空探测距离从嫦娥计划的38万公里推进到L1点的150万公里，将使我国成为世界上第二个独立完成L1点飞行卫星研制、发射和远距离测控通讯任务的国家；同时，该计划将提升我国航天技术基础能力，培养和造就具备国际水准的科技与工程人才。充分展示中国和平利用太空、为人类作贡献的意愿。