空间太阳观测科学任务国际合作典型案例分析

白青江 李明 范全林 （中国科学院国家空间科学中心）

1 引言

人类对于太阳的思考和探索从未停止过。迄今，人们已利用科学卫星实现了包括X 射线、紫外线等在内的全波段、全时域、高时空分辨率的太阳观测，发现了太阳活动驱动的空间天气，对太阳的研究亦拓展至受太阳和太阳风影响的日球层全域。

2021年10月14日，我国太阳Hα 光谱探测与双超平台科学技术试验卫星（CHASE）“羲和号”发射升空；2022年10月9日，我国首颗综合性太阳探测专用卫星先进天基太阳天文台（ASO-S）“夸父一号”成功发射，成为逾五十项国际太阳观测科学卫星“舰队”的两位新人。2022年11月，“夸父一号”主载荷硬X 射线成像仪（HXI）成功获取迄今国际上地球视角唯一的太阳硬X 射线图像，其图像质量达到国际先进水平。

鉴于空间太阳观测往往涉及国际合作，本文以尤利西斯号（Ulysses）、太阳和日球层观测天文台（SOHO）和下一代太阳观测卫星Solar-C 等3 个不同任务作为典型案例开展分析，呼吁世界航天国家携手开展多种形式的国际合作，共同推进对关乎太阳系和生命起源演化的太阳的科学认知。

Ulysses、SOHO 和Solar-C 太阳观测卫星简表

2 Ulysses 任务一波三折终斩获革命性科学成果

科学梦想往往领先于时代。早在1959年科学家就提出了脱离太阳系黄道面（OOE）的科学卫星任务概念。

ISPM 探测开启日球层第三维的科学梦想

20 世纪70年代，欧洲和美国国家航空航天局（NASA）联合研究了国际太阳极轨任务（ISPM），即利用两颗关于黄道面对称的科学卫星，探测日球层的第三维，从而分辨行星际介质和太阳风的空间与时间特征。

为了获取足够的能量并改变其环日运行的轨道面，两颗卫星首次背离太阳方向发射，以便于在发射约17 个月后切入木星轨道，通过木星借力脱离黄道面并形成两条对称的大倾角日心轨道，在两年半后同时分别飞掠太阳南北两极。

1975年5月欧洲航天局（ESA）成立。ISPM 于1977年通过了ESA 科学任务遴选；1979年，ESA和NASA 签订了《谅解备忘录》，随后ISPM 任务纳入美国1979 财年预算，ESA 也启动了ISPM 任务。ISPM 原计划于1983年2月发射升空。

从ISPM 到Ulysses，国际合作方案发生重大删改

在ISPM 原国际合作方案中，ESA 和NASA 分别研发各自的航天器，其中ESA 的卫星自旋稳定，而NASA 的采用三轴稳定，因此能携带太阳风成像仪，并会优先考虑白光日冕观测仪和X 射线/远紫外望远镜[1]。双方于1978年共同遴选了两颗卫星将搭载的科学探测有效载荷。共有来自13 个国家65 所大学和研究中心的200 多名科学家参与了ISPM 项目。任务计划由NASA 航天飞机发射。

1980年里根当选美国总统，随后其管理与预算办公室（OMB）引入新的预算理念和保密政策。随之，由于NASA 预算削减，美欧双方先是同意延迟2年发射，后来NASA 直接决定取消其卫星项目，同时仍参与该任务，即提供发射服务、放射性同位素温差电源（RTG）、美方的有效载荷，以及数据检索与分发等，这些变更使ESA 极其被动。

即使后来ESA 方面的抗议上升至外交层面，积极奔走于美国政府、国会和负责审查预算草案的机构，并提出挽救双卫星项目的新合作方案——由美国向ESA 卫星主要合同商采购另一套卫星装置（但该方案无法搭载成像仪器）。美方一度曾接受了该方案，但最终仍拒绝了采购一颗卫星的资金申请。

1982年，ESA 决定继续实施单星任务，并命名为“奥德修斯”（Odysseus）。不过后来ESA 出于致敬《荷马史诗》和但丁《神曲·地狱篇》中的神话英雄，将任务重新命名为尤利西斯号，即Odysseus的拉丁文。

回顾ISPM 被删改为单星任务的遭遇，主要原因是双方在预算制度和对于《谅解备忘录》理解等方面存在差异。ESA 执行的是五年预算制度，而NASA是年度预算制度。对于ESA 来说，《谅解备忘录》具有法律效应，而在NASA 看来是一个君子协定。这些都是国际合作中的重要因素。

需要指出的是，虽然ISPM 被删改为单航天器任务Ulysses，但后者仍是一个国际合作任务。其中，ESA 负责卫星研制[原德国道尼尔公司，后经过一系列合并和更名，现为空中客车集团的阿斯特留姆公司（Astrium）] 和任务运行；NASA 负责发射服务、惯性上面级和有效载荷辅助舱，以及RTG 的研制。关于任务运行，欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）和欧洲空间运行中心（ESOC）主导任务运行，由NASA 的喷气推进实验室（JPL）的深空网络（DSN）负责测控工作。

Ulysses 卫星搭载了来自ESA 和NASA 的10个科学载荷。

Ulysses 主要科学探测有效载荷简表

Ulysses 彻底改变了人类对于太阳及其效应的认识

Ulysses 最终于1990年10月6日由美国发现号航天飞机发射升空，成为首个探测黄道面外太阳高纬度及太阳极区的科学任务。它的设计寿命为5年，实际运行18年8 个月24 天，于2009年退役。利用Ulysses 的数据，科学家发表了约1500 篇论文，不仅揭示了日球层磁场的本质和表现、绘制了太阳风的时空4D 地图、观测到了太阳磁极的反转、发现恒星际尘埃可以进入日球层、发现日球层和星际气体间的“巨大激波”等，而且它所取得的诸多原创突破几乎彻底改变了科学家们对于太阳及日球层的认识[2]，成为空间太阳探测的重要里程碑。

不可否认的是，由于合作方各国的预算制度、文化差别等方面原因，开展空间科学国际合作面临诸多困难和挑战，ISPM 任务最后演变为单方面任务Ulysses 的遭遇[3]值得反思。

Ulysses 借助木星引力弹弓效应实现人类首次太阳极轨探测示意图(来源：ESA)

3 SOHO 任务提供国际合作的成功典范

“从里到外”观测太阳

SOHO 旨在研究太阳动力学和内部结构，探究日冕温度比光球温度高得多的原因，以及太阳风粒子的加速位置和机制，“从里到外”探测太阳，即从太阳内部，到其表面和大气，再到太阳风“吹”到的所有区域。

SOHO 可追溯至掠入射太阳望远镜（GRIST）和双光谱辐照度和太阳常数轨道器（DISCO）任务，这两个任务的科学目标共同组成了SOHO 任务的核心内容。1984年，SOHO 入选ESA《地平线2000（Horizon 2000）》中长期空间科学规划的大型（L）任务，又称“奠基石”（cornerstone）任务。

SOHO 卫星运行在距离地球150 万千米远的日地拉格朗日L1 点。自发射以来，SOHO 卫星一系列具有开创性的探测技术，助力科学家获得数以千计的科学新成果，鼓舞和启发了一系列后继任务，例如ESA 拟通过精确编队飞行形成人造日食研究日冕的星上自主项目-3（Proba-3）任务，并为全球广大天文爱好者们提供了观测星空大展身手的舞台。

国际合作奠定成功基础

SOHO 卫星是ESA 主导、NASA 深度参与的国际合作任务。SOHO 卫星由欧洲玛特拉·马克尼空间公司（Matra Marconi Space，现为Astrium）牵头研制，共涉及14 个欧洲国家，由美国宇宙神-5（Atlas-5）火箭在美国卡纳维拉尔角空军基地（CCAFS）发射。SOHO 卫星的服务舱、太阳能帆板、推进器、姿态控制系统、通信系统和星务功能在法国完成；载荷舱在英国完成组装，最终载荷舱和服务舱在法国完成集成测试。美国NASA 戈达德航天飞行中心（GSFC）负责任务运行，NASA 的深空网络提供数据下行和指令上传服务。

SOHO 卫星共搭载了12 台科学载荷，由来自15个国家的29 个机构研制，全球超过1500 名科学家参与了该任务。

此外，SOHO 任务与ESA 的另一个大型任务星簇计划II（Cluster II）同属ESA日地科学计划（STSP），同时也是ESA 参与国际日地物理计划（ISTP）的内容。ISTP 是20 世纪80年代由NASA、ESA 和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宇宙科学研究所（ISAS）发起和主导的空间科学计划。它包括一系列来自NASA、ESA、JAXA、俄罗斯、瑞典和丹麦等机构和国家的、从20 世纪90年代开始运行在日地L1 点的空间科学卫星任务，如“太阳风”卫星（Wind）、“先进太阳风组分探测器卫星”（ACE）和SOHO 等，在全球范围内对上述卫星的观测计划、相应的地面设施和理论研究进行规划和整合。

SOHO 卫星科学探测有效载荷一览表

SOHO 是世界首个没有陀螺仪的三轴稳定航天器，设计寿命3年，已经历了7 次延寿运行。尽管SOHO 曾于1998年6月出现通信间断和卫星指向等方面的异常，但已于同年9月恢复正常。2020年SOHO 实现在轨观测25 周年。目前仍在轨运行，是寿命最长的太阳观测卫星。

产出原创性科学成果

SOHO 在第22 太阳活动周下降期于1995年12月2日发射，迄今它已完整观测了第23、24 两个太阳活动周，现开启了第25 太阳活动周的观测，拍摄了2000 万张图像，观测到3 万次日冕物质抛射（CME），并产出近6000 篇科学论文[4]。

SOHO 为科学家提供了关于太阳内部结构、日冕及太阳风的前所未有的海量新知识，包括但不限于首次拍摄了太阳对流层和太阳表面以下黑子结构的图像，提供了关于太阳内部温度结构、内部自转、气体流动的精准详细观测数据，发现了日冕波动等新太阳动力学现象，确定了太阳极区磁“开放”区的高速太阳风起源区域和加速机制，对朝向地球的太阳扰动进行最高提前三天的预报，革命性提升了人类对空间天气的预报能力[5]，这些科学突破已实时更新了人类关于太阳的知识图谱，令人叹服不已。

此外，SOHO 还发现了4000 多颗彗星，是天文学史上迄今发现彗星数量最多的任务，极大地吸引了社会公众对于空间太阳观测任务的关注和参与，提升了公众的科学素养。值得一提的是，绝大多数彗星都是由天文爱好者们在NASA“掠日彗星”项目（Sungrazer Project）资助下利用SOHO 卫星的LASCO日冕仪图像数据发现的。

SOHO 发射25 周年成果统计（来源：ESA）

可见，国际合作渗透在了SOHO 任务的各个层面，不仅全球合作方共同开展数据分析，欧美还共同研制科学仪器，欧洲各国联合研制卫星平台，美国承担了运载发射和任务运行，甚至还涉及更高层次的合作，即ISTP 计划内各任务之间的多国合作。SOHO 任务是一个全方面、多层次、紧密深入的国际合作任务，集合了各参与方的优势资源，来自全球范围内的千余名科学家参与其中，为任务成功奠定了基础，为其取得一系列重大科学发现提供了坚实保障。

4 Solar—C 任务将开启新国际合作

揭秘太阳大气

作为日本系列空间太阳观测科学卫星的“新人”，Solar-C 是日本下一代太阳观测卫星任务，旨在揭开太阳大气热等离子体的形成机制以及太阳对地球和太阳系的影响，以最终理解太阳系和生命的起源。其星上主载荷“极紫外高通量光谱望远镜”（EUVST），将通过分析太阳的极紫外辐射光谱“探索地球以外的彩虹”。

Solar-C 科学任务概念于2018年提出，2022年8月通过任务定义评审，下一步将开展系统定义评审等，之后进入背景型号预研以及工程研制阶段。

Solar-C 设计寿命为2年，计划于2027 财年由日本新型火箭“艾普斯龙”（Epsilon）发射，卫星姿态和前两任Solar-A、Solar-B 一样，均为三轴稳定，指向太阳。不过，“艾普斯龙”最新一次发射（Epsilon-6）于2022年10月12日以失败告终，系日本20年来首次运载火箭发射失败，希望未来Solar-C 任务不受其影响。

日本主导、美欧参与，合作共赢

Solar-C 是一项由日本主导、美国和欧洲参与的国际合作任务。其中，日本负责卫星平台和EUVST 望远镜的研制，以及火箭发射和任务运行；美国和欧洲负责光谱仪的研制，包括制造光电探测器、光栅，并主导EUVST 部件的集成和测试等。

日本JAXA ISAS 主导研制卫星平台和任务运行；日本国家天文台（NAOJ）主导研制极端紫外线高通量光谱望远镜（EUVST）；名古屋大学的空间-地球环境研究所（ISEE）负责运行科学中心；京都大学华山天文台（Kwasan and Hida Observatories）负责协调国内和国际地基设施的观测；东京大学科学学院的研究团队将在数值模拟方面发挥主导作用。

科学观测能力前所未有，打开“黑匣子”

Solar-C 将开展以下三方面的紫外观测，分析太阳极紫外辐射光谱，揭开关于太阳大气的奥秘。

首先，同时对跨越三个量级的太阳大气温度开展无缝观测，从1000 度的色球层到几百万度的日冕，甚至再到1500 万度的耀斑。另外，通过收集之前10 ～30 倍的太阳紫外射线，以0.4 arc sec 的空间分辨率和1S 的时间分辨率确定其基本结构，并分析其演化过程。它还将通过开展高光谱观测，以2km/s 的速度分辨率，获取其量化光谱信息，如速度、温度、密度、离子化程度和丰度。

迄今对太阳的观测已揭示了太阳表面的能量注入行为及其在上层大气的释放。然而其背后的机制和物理过程仍待揭示。Solar-C 将通过研究能量注入和释放之间的能量和物质输运，并确定能量释放时的发生情况，打开这个“黑匣子”。

不过Solar-C 与SOHO 任务相比，在国际合作分工中，其中一方即日本的主导力度更大，也是当前空间科学开展国际合作的一种常见合作方式。这将为Solar-C任务未来发射后取得重大科学成果打下坚实基础。

5 结语

万物生长靠太阳。对于蓝色行星上的人类而言，揭示恒星太阳的诸多未解之谜是全球科学家的终极梦想，需要世界携手开展国际合作，共同打造空间太阳观测立体探测体系。这既包括各个地球轨道高度上的科学卫星，如近地轨道的“夸父一号”“羲和号”等，倾斜地球同步轨道（IGSO）的“太阳动力学天文台（SDO）”等；地球公转轨道（环日）上的科学卫星，如美国牵头，德英法比匈5 国参与的“日地关系观测台”（STEREO），抵近太阳观测的“帕克号”（PSP）[6]，ESA 牵头、美国参与的“太阳轨道器”（Solar Orbiter）[7]；以及我国正在推动的“太阳极轨探测任务”（SPO）等。此外，小卫星也能做大科学，例如“日出号”太阳射电干涉仪空间实验立方星座（SunRISE，6 颗）、日球层卫星“舰队”探测计划（HelioSwarm，1 母星+8 子星）等正在研制。这些空间科学任务均以太阳为主要观测对象，关注太阳物理的不同科学前沿问题，彼此衔接，共同构成国际太阳立体探测体系。科学发现只有第一，单凭一国之力破解太阳奥秘，既不现实，也无必要。

另一方面，太阳爆发活动所致的地球灾害性空间天气，主要是全球尺度的，其负面影响对各国航天和地基基础设施一视同仁。监测空间天气的空间任务也需要全球通力合作，尽管后者涉及国家空间安全，不同国家的投入和重视程度各异。与空间太阳观测科学任务不同，这些任务正在像气象卫星7×24 小时监测地球天气一样对空间天气开展监测，即可通过地球轨道业务卫星（风云气象卫星系列、地球静止轨道气象卫星系列GOES）搭载，或在日地拉格朗日点L1 点配置专用空间天气业务卫星，就如同美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的深空气候观象台卫星（DSCOVR）。为提前4 ～5 天观测到即将面向地球的太阳活动区，ESA 和我国都在推动在日地拉格朗日点L5 任务[8-9]。鉴史知今向未来，空间天气的监测预警服务也必将和世界气象组织（WMO）一样倡导和推行国际合作。

国际空间太阳立体观测示意图（黄色表示规划和研制的未来任务，白色表示在轨任务）

从全球范围来说，开展空间太阳观测国际合作是必然发展趋势。未来，我国可采取多元化多层次的合作方式[10]，其中大型任务/旗舰型任务以我为主研发和运行，国际伙伴可通过搭载有效载荷参与任务，形成我国牵头的国际大科学计划或工程。对于中小型任务，积极开展平等合作或进行搭载，双方数据互补共享。例如，中欧联合空间科学卫星任务“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划”（SMILE）就是双方联合设计、联合开发和数据分析与利用的一项中小型空间科学任务，是中欧双方在空间科学领域全方位深度合作的新里程碑[11]。此外，也可在中外双方各自任务间进行协同等，顺利推进任务实施和运行。当前，我国正在加快建设航天强国，国际合作之路必将越来越宽广，定为推动世界航天发展、在外空领域推动构建人类命运共同体、促进人类文明进步作出更大贡献。