中國又一超級工程：探索太陽的“誇父計劃”

中國又一超級工程：探索太陽的“誇父計劃” zt

工程總投資：15億元左右
工程期限：2003年--2015年

中國古代有神話故事誇父逐日，講的是神人誇父不惜生命追趕太陽。現在，我國有了探索太陽的誇父計劃。如果按期實施，該計劃將是世界上唯一一個係統的日地空間探測計劃。


什麽是誇父計劃


2007年10月24日，中國繞月探測衛星嫦娥一號衛星成功發射，舉國歡慶，讓國際社會對中國的深空探測能力驚歎不已。也為‘誇父計劃\'再發射、測控等方麵奠定了極好的基礎。

與嫦娥計劃不同的是，誇父計劃是鎖定太陽的深空探測計劃，又稱為空間風暴、極光和空間天氣探測計劃，由三顆衛星組成。該計劃將由一顆位於日地係統第一拉格朗日點(也稱L1點，即地球與太陽之間的引力平衡點)的衛星誇父A和兩顆沿極軌共軛飛行的衛星誇父B1、誇父B2組成綜合觀測係統，將用於連續監測太陽劇烈活動及其導致的日地空間環境連鎖變化的全過程。

其中A星設置在距地球150萬公裏的日地連線上，用來全天候監測太陽活動的發生及其伴生現象。另兩顆衛星B1和B2在地球極軌大橢圓軌道上飛行，用來監測太陽活動導致的地球近地空間環境的變化。雖然誇父衛星的對地距離比嫦娥一號衛星遠了4倍，但是嫦娥一號在測控方麵所使用的50米大天線，該計劃也會充分利用到。
誇父計劃的原創性科學思想和基本概念是在2003年1月24日在國家自然科學基金委地學部關於推動空間天氣研究座談會上，首先由北京大學塗傳詒院士在同肖佐、張永維總師和中國科學院魏奉思教授討論的基礎上提出的。隨後，誇父計劃預研成為由北京大學牽頭、國家自然科學基金委支持的重點項目，並有國內外有關科技專家大力支持和參與。此後，國防科工委組織了相關評審。根據國防科工委建議，以誇父計劃為基礎，與中國科學院空間科學與應用研究中心劉振興院士建議的風暴計劃進行了整合，叫做誇父-太陽風暴、極光和空間天氣計劃。

誇父計劃的科學目標是觀測空間天氣事件從太陽到地球的整體連續變化現象，揭示控製日地空間係統的基本物理過程，提高空間天氣災害預報的準確度，服務航天通訊等高科技活動。太陽擾動會導致衛星失靈，影響航天員安全，對地麵各種通訊設備形成幹擾。誇父計劃能幫助人類對太陽活動進行預測預報，采取相應的防護措施。

其科學意義表現在：誇父計劃將對日地空間天氣係統的兩端--太陽大氣和地球空間--進行前所未有的時空連續、多層次的成像觀測，完成從太陽大氣到近地空間完整擾動因果鏈的探測，通過多方麵的首創性監測，實現日地係統端到端的整體、連續成像觀測。並預期在日地係統的能量及擾動的耦合機製如太陽爆發先兆、太陽風的形成機製等方麵取得具有重要原創意義的突破性進展。屆時，誇父計劃將與其他空間計劃一起進入以探測日地空間整體行為為標誌的空間探測新紀元。

由於2012年將是下一個太陽活動峰年，2012年至2014年太陽活動將會很強烈，因此誇父計劃三顆衛星建議在這個時間內發射，主要是為觀測到新的日地物理現象，進一步揭示日地空間風暴機理，監測行星際擾動傳播，為災害性空間環境預報提供觀測數據。初期飛行時間將為2至3年。

美國國家海洋和大氣局太空環境中心將2003年11月4日爆發的太陽耀斑確定為X28級，是人類有史以來所記錄的最大的太陽耀斑。

不容小視的太陽風暴及其危害

空間環境的組成，除了離地麵５０至６０千米以下還保持是中性氣體，高空大氣則逐漸電離。從應用角度，１０００千米以下叫電離層，在更大的高度上，地球大氣完全電離，電離氣體的運動完全受地球磁場控製，叫做磁層。地球大氣之所以電離，其能量主要來自太陽輻射。地球的磁層外麵就是行星際的空間，行星際空間的物質主要是從太陽外層大氣上刮出來的風，太陽風都是帶電的粒子。從太陽大氣到地球電離層組成日地空間，其間還有來自太陽和宇宙其他天體的高能帶電粒子以及磁場。
　　我們用肉眼看到的太陽，就像一個很亮的光盤。根據物理上黑體輻射的定律，由可見光發射出來的能量和光譜的形狀，這個可見光盤溫度應該約有６０００度。可實際上這隻是太陽表麵（即光球層）的溫度，在太陽光球層以上的地方溫度會高達１００萬度，這時它往外輻射的就是紫外、Ｘ射線、ｙ射線等。太陽表麵大氣最外一層是日冕，日冕分內冕和外冕，內冕隻延伸到離太陽表麵約０．３個太陽半徑處，外冕則可達到幾個太陽半徑甚至更遠。日冕由很稀薄的完全電離的等離子體組成。

　　太陽上還有很多劇烈的活動，比如日冕物質拋射（ＣＭＥ），就是日冕中經常會有大量的物質拋射出來。拋射速度在每秒幾百千米甚至上千千米，每次拋射的物質總量可達上百億噸。日冕物質拋射是影響近地空間環境嚴重的事件之一。拋射出來的東西都是帶電粒子，雖然很稀薄，但是拋射的範圍大，能量也很大。它們衝擊到地球附近的時候就會造成對地球空間的災害性事件。
　　太陽擾動地球空間的另一個重要因素是太陽耀斑。耀斑是太陽上某些高能的活動區在擾動的情況下，帶電粒子的能量和太陽磁場的能量相互轉換過程，太陽的一部分磁場加速了帶電粒子的活動，耀斑爆發的時候，從紫外光一直到Ｘ射線譜段，輻射特別的增強。這種輻射對地球的影響就是直接破壞地球的電離層。短波通訊會因為短波信號被電離層的Ｄ層吸收而中斷；微波導航會因為電離層不規則結構引起的信號幅度／相位閃爍而導致失去原來的導航定位精度。
　　耀斑的爆發和日冕物質拋射有時是相互伴隨著的，有時又是單獨的。所以它們之間的關係也是我們要研究的問題。
　　地球本身有磁場，太陽風是帶電粒子。帶電粒子到了地球附近的時候，跟地球磁場相互作用，磁場有時候能夠擋住帶電粒子，使它不能穿過磁場直接進去，所以它就沿著磁線到達地球的兩極，就產生了極光。所以我們研究極光的時候，就能夠知道太陽粒子的性質，有多少能量，最終會對地球造成什麽樣的影響。所以，＂誇父＂計劃裏主要就是監測日冕物質拋射和極光。


近十幾年太陽風暴造成的災難事件（不完全統計）

1989年3月13-14日，強磁暴造成加拿大魁北克地區電網停電；全球無線電通訊受到幹擾；日本一顆通訊衛星異常；美國一顆衛星軌道下降；

1991年4月29日，強磁暴發生後使美國緬因州核電廠發生災難性破壞；

1994年1月20-21日，兩個加拿大通訊衛星發生故障；

1997年1月6-11日的日冕物質拋射 使AT&T公司通訊衛星報廢；

1998年5月19日美國銀河四號通訊衛星失效,同時 德國一顆科學衛星報廢；

2000年7月14日歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科學研究衛星受到嚴重損害，日本的 ASCA衛星失控，AKEBONO衛星的計算機遭到破壞。

2003年10月28日，歐美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科學研究衛星受到不同程度損害，日本回聲衛星失控。

日冕

　日全食時，黑暗的太陽外圍是銀白色的光芒，像帽子似地扣在太陽上，因此稱為日冕。日冕是太陽最外圍大氣。平時要觀測日冕，需要用特別的日冕儀。日冕的範圍很大，用日冕儀隻可以觀測到接近太陽表麵的那部分日冕，一般叫做內冕。它的邊界離太陽表麵約有3個太陽半徑那麽遠，或者說約為200萬千米。在此以外的日冕叫做外冕，它向外延伸到地球軌道之外。日冕的物質非常稀薄。內冕密度稍微大一些，但它的密度也低於地球大氣的十億分之一，幾乎接近真空。日冕的形狀很不規則，有時候呈圓形，有時候呈扁圓形，結構也很精細，在太陽赤道四周有很多向外流動的冕流伸向遠處，太陽極區則有一些纖細的羽毛狀的極羽。
　　日冕的溫度非常高，可達200萬度。令人不可思議的是，離太陽中心最遠的光球層，溫度是幾千度。稍遠些的色球層，溫度從上萬度到幾萬度。而距離太陽中心最遠的日冕，溫度竟然高達百萬度。這一反常的現象意味著什麽，科學家們目前還未找到合理的解釋。


技術攻關

誇父計劃工程論證由東方紅衛星公司牽頭，會同北京大學、中國氣象局、中國科學技術大學(與山東大學威海分校合作)、中科院空間中心等共同完成。目前，已對有效載荷對工程的要求、軌道設計、運載與發射、地麵測控和測定軌、地麵數據接收、衛星設計等進行了全麵論證並已順利完成，主要結論是：在我國嫦娥一期的基礎上，實現地-月之間的測控技術基礎已具備；在我國嫦娥二期和深空站建設完成之後(2011年)，誇父計劃所需的基礎技術條件將全部具備。

塗傳詒、肖佐等科學家已對關鍵科學探測儀器(有效載荷)的研製、誇父A星的軌道設計與實現技術、誇父A星的深空自主運行技術、誇父B星的高精度姿軌聯合控製實現技術等科學問題和技術難點進行了細致的分析。例如，誇父A所要到達的L1點位於日地連線上，距地球150萬公裏，目前，隻有NASA和ESA 為數不多的航天器，如SOHO、ACE、ISEE等飛行器到達過L1點。

誇父A衛星選擇哪種運載工具、轉移軌道才能到達距地球約150公裏的L1點；選擇何種方式保持衛星軌道在L1點上；誇父A衛星如何實施遠距離測控和通信；L1點通信距離上屬於深空範疇，如何在深空條件下實施對衛星的測控和數據傳輸通信......這些都是誇父A衛星實現的關鍵環節之一，也是誇父A工程要解決的首要問題。

誇父B衛星飛行任務目標是實現一天24小時、一周7天連續觀測北極光的分布，為了實現這個目標，誇父B有兩顆同樣的衛星組成：誇父B1和誇父B2。這兩顆衛星的軌道要位於同一極軌上，呈共軛飛行狀態,遠地點高度6個地球半徑，近地點0.8個地球半徑。選擇什麽運載工具和發射方式是誇父B衛星工程要解決的關鍵技術。

除此之外，整個誇父計劃都采用成像技術，它所使用的一些特殊成像儀器都要作技術攻關，如中性原子成像儀、太陽白光日冕儀。由於地球的外層空間有一些中性的氧原子，需要用現在的成像技術把其速度分布形成為圖形，以確定在太陽有擾動時，外層空間到底是如何響應的，但是由於中性原子本身通過交換原子以後可以成像，所以這裏涉及一些新的成像技術方麵的難點。



國際合作

* 德國、法國、比利時、奧地利、加拿大等國10多位著名空間科學家也將參與這項由中國人發起的太陽探索計劃。德國科學家萊內爾施溫說，雖然近年來科學家已在日地物理研究方麵取得很大進展，但對許多關鍵問題仍缺乏了解，比如，日冕物質拋射的前兆是什麽？太陽擾動源、太陽擾動傳輸、擾動的地球效應等。 誇父計劃有望一一解答這些問題。

　　加拿大航天局空間物理大氣科學首席科學家劉維寧說：太陽擾動會導致衛星失靈，影響航天員安全，對地麵各種通訊設備形成幹擾。‘誇父計劃\'能幫助人類對太陽活動進行預測預報，從而采取相應的防護措施。加拿大將參與設計兩顆圍繞地球飛行的衛星，並在衛星上搭載科學儀器。


深遠的影響

中國的誇父計劃與美國軍方計劃於2008年發射C/NOFS(通訊/導航中斷預報係統Communication /NavigationOutageForecasting System) 衛星計劃一樣，對於空間天氣預報都非常重要。誇父3顆衛星將第一次監測從太陽風到磁層的整個能量傳輸過程。它將可能解決地球空間對太陽風暴響應的過程中的一個重大問題，即大尺度的能量和質量是如何從太陽通過日地空間傳輸到磁層的。

到現在為止，隻有美國在L1點上發射了太陽監測衛星(SOHO飛船)。但不同的是，中國的誇父計劃是連續的日地係統的監測計劃。誇父衛星的軌道設計成L1+極軌，這是一種全新的協同軌道設計。誇父B1和B2可通過成像獲得磁尾磁重聯所造成的磁層全局響應的信息，其成像可以使我們更精確地度量亞暴和磁暴期間能量的注入。

誇父計劃的實施將使我國自主深空探測距離從嫦娥計劃的38萬公裏推進到L1點的150萬公裏，將使我國成為世界上第二個獨立完成L1點飛行衛星研製、發射和遠距離測控通訊任務的國家；同時，該計劃將提升我國航天技術基礎能力，培養和造就具備國際水準的科技與工程人才。充分展示中國和平利用太空、為人類作貢獻的意願。