全球首次！羲和二号将“立体探日”

日前举行的日地L5太阳探测工程（羲和二号）项目启动会透露，我国计划在2028年至2029年间，择机向日地L5（第五拉格朗日点）发射羲和二号，从全新的波段与视角对太阳开展立体观测。这将是国际上首次将人造探测器长期部署在日地L5，有望在太阳爆发机制方面取得有世界级影响力的科学成果，并为空间天气预警和预报带来革命性的推动。

“拉格朗日点”L1、L2、L3、L4、L5，羲和二号位于L5。（示意图）

羲和二号“旁观”太阳活动的视角。（示意图）

羲和号观测到的太阳表面活动景象。（视频截图）

中国将从全新视角立体观测太阳

何谓“羲和”？羲和是《山海经》中的太阳之母，是《楚辞》中驾驭太阳车东升西落的神，也是中国古代观测天象与制定历法的官职。所以，2021年10月发射的我国首颗太阳探测科学技术试验卫星被命名为“羲和号”，它标志着我国步入空间探日时代。而羲和二号是在羲和号基础之上迈出的重要一步，羲和二号发射后，将从全新的波段和视角对太阳开展立体观测。

为什么说是立体观测呢？羲和号围绕地球运行，距离地面平均只有517公里，它和地球看到太阳的视角可以说是一样的。而羲和二号将去往日地L5，尾随地球围绕太阳运行，它距离太阳和地球各1.5亿公里，和二者构成了一个等边三角形。如果太阳向地球抛出一团日冕物质，那么羲和二号能提供一个“旁观者”的视角，告诉地球所看到的“这一拳”是如何打出来的。这将是国际上首次将人造探测器长期部署在日地L5：此前人类发射的太阳探测器已有70多颗，绝大多数都分布在日地连线上，少数环绕太阳运行，还有些漂移到太阳背后去，却还没有探测器在日地L5长期驻留。

从羲和二号所在的位置，可以瞧见地球上无法看到的太阳侧后方60°区域，而这一区域将在四五天后随着太阳自转朝向地球。所以，如果太阳正在悄悄酝酿即将扑向地球的灾害性空间天气，如耀斑、日冕物质抛射等，那么羲和二号能够先于地球察觉，为应急响应争取更多准备时间。

羲和二号发射后，将花大约800天时间飞向日地L5。由于这里是一处引力平衡点，它无需消耗过多推进剂就能维持轨道稳定，设计寿命长达7年。羲和二号将对太阳磁场和太阳活动实现精细测量，结合地球视角的观测数据，建立完整的太阳爆发三维物理模型，并增强我国空间天气预警预报能力。

羲和二号预计发射质量约为1600千克，将携带光谱磁场望远镜、极紫外成像仪、日冕日球层成像包、高能太阳望远镜、原位测量包5类科学载荷，旨在完成太阳磁场、日冕、日球层空间的高分辨率遥感探测，以及太阳风、行星际磁场、空间粒子的高精度局地探测。羲和二号从羲和号那里继承并优化了磁浮控制卫星平台，这一技术能够达到超高指向精度与超高稳定度，方法是让驱动平台和科学仪器在工作时暂时分离，这样一来，驱动平台里的机械设备工作时，就不会影响到正在专心“看”太阳的科学仪器模块了。除此之外，经过5年多的预研，项目团队还解决了如日冕仪杂散光抑制等多项关键技术问题。

总而言之，羲和二号是一项科学目标牵引、工程技术支撑、具有国际前瞻性的原创性深空探测工程。其首次奔赴日地L5的壮举，将填补国际上太阳立体观测的空白。同时，它也面临着不小的挑战。羲和二号要去的地方离我们1.5亿公里，需要两年时间才能抵达，单向通信延迟超过8分钟，这对探测器的轨道测控和姿态调整提出了很高的要求。此外，探测器到达日地L5后，要及时全面开展工作，它的所有5类科学载荷都相当复杂，一旦硬件出问题，是无法维修更换的，所以要求地面调试全面细致，通过全流程模拟测试、极端环境验证等手段，在发射前尽最大可能发现并排除潜在风险，以保障探测器长期在轨平稳运行，持续产出高质量科学数据。

羲和二号为何选择第五拉格朗日点

随着我国航天事业的发展与空间科学研究的推进，越来越多的“太空玩法”得到了应用，一个“新”词汇“拉格朗日点”也频频被提及。比如，羲和二号将前往日地第五拉格朗日点；系外地球（ET）巡天任务将部署在日地第二拉格朗日点；鹊桥号中继卫星在地月第二拉格朗日点附近运行，提供月球背面和地球的通信服务。

要了解拉格朗日点是什么，得先来分析另一个问题：在地球轨道面的哪个位置放个小天体，可以使它围绕太阳公转时，与太阳、地球的相对位置保持不变呢？这实际上是一个通常不可精确求解的三体问题，但在比较严格的限定条件下，如“在同一个平面上，第三个天体的质量小到可忽略不计”，还是可以求得几个特解的。1767年，瑞士数学家、自然科学家欧拉求出了这个问题的3个特解。1772年，法国数学家、物理学家拉格朗日又算出另外2个特解。这5个特解在公转轨道附近所对应的位置，就叫作“拉格朗日点”，分别被编号为L1、L2、L3、L4、L5。

这5个数字分别对应着唯一的位置，不可任意调换。以太阳和地球为例：L1在日地之间的连线上，并且距离地球更近；L2在日地的连线延长线上，位于地球一侧，或者可理解为在地球阴影方向；L3在地日的连线延长线上，位于太阳身后、地球的对面，与太阳的距离基本等于日地距离；L4和日地成等边三角形，引领着地球运行；L5和日地也成等边三角形，尾随着地球运行。

可以看出，L1、L2一个在地球轨道内侧、一个在外侧。按说，位于内圈的L1应该跑得比地球快，位于外圈的L2应该跑得比地球慢。而实际上，L1、地球、L2在以同样的角速度奔跑在黄道面上。位于L1的小天体永远悬停在地球的白昼一方，位于L2的小天体则始终逗留在地球的黑夜一方。造成这种有趣现象的本质原因是，位于拉格朗日点的小天体都在围绕太阳与地球的共同质心运行。

因此，科学家根据拉格朗日点的这种特性，为特殊性质的太空探测设计了量身定制的方案。

L1在日地之间，这个位置适合放置研究太阳的探测器（如日光层探测仪），它们距离地球150万公里左右，在月球轨道以外，永远不会掉进地球或月球的阴影，并且会比地球提前撞上太阳抛来的物质。嫦娥五号轨道器当初完成既定探月任务后，由于项目进展顺利，推进剂充足，所以“加了个班”飞到日地L1，开展了一些太阳探测任务。

L2在地球阴影方向，距离地球也是150万公里左右。这个位置适合做一些背向日月地球、向宇宙超深空凝望、探测宇宙大爆炸余晖的任务，如威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）与韦布空间望远镜（JWST）。地月系也拥有自己的5个拉格朗日点，鹊桥号就在月球背面的地月L2，同步跟随月球围绕地球运行，并把月球背面嫦娥四号的信息传到地面上来。大家可能会问：既然它在月球背面，地球应该看不到才对，那它又如何执行中继任务呢？其实，拉格朗日点只是数学里的特解，在现实世界并不是稳定平衡点，鹊桥号实际上在围绕地月L2画着一个又一个大圈，月球是遮不住它的，所以地球始终都能接收到它发出的信号。

目前，还没有航天器在L3工作。这里和地球之间隔着太阳，即使获得信息也发不过来，而且这个位置十分难以保持稳定。但L3是科幻小说作者钟情的地方，常常在这里描绘一个“反地球”，在这里做些不想让人类察觉的事情。

L4和L5的稳定性容易维持，也很适合研究太阳，但过去没有长期部署在此的探测任务，一是它们和地球距离太远（1个日地距离），二是过去研究太阳的工作任务在L1基本就能实现。相较而言，L5比L4更有应用价值，因为这里位于太阳自转的上游，当太阳风暴爆发时，L5可以比地球提前四五天知道，为地球发来预警，这也正是羲和二号选定L5的原因。

研究任务覆盖太阳活动低年到高年

羲和二号预计在2028年至2029年发射，设计寿命7年，能够覆盖到太阳活动从低年爬升到高年的这段时间，以实现对太阳磁场和太阳活动的变化进行全面的观测研究。经过中国北方频繁出现极光的2024年和2025年，大家对黑子、耀斑、日冕物质抛射这些太阳活动应该都比较熟悉了，那么，在太阳活动低年（指太阳活动周期中黑子数量最少、活动最微弱的年份），科学家能研究些什么呢？

其实，太阳活动低年也会惹出不少麻烦，而这些同样是空间天气预警要留意的事情。

1.乘虚而入的宇宙线

地球作为太阳的“小弟”，无时无刻不被太阳“罩”着。太阳风在星际空间中吹出一个半径百亿公里级的大泡泡，叫作“日球层”，其中最大的结构是“日球层电流片”，它由跟随太阳旋转的磁场驱动太阳风物质所构成，对来自星际空间的宇宙线流量起着调制作用。宇宙线主要由质子与α 粒子组成，以接近光速飞行，能量极高，可以穿透10-20厘米厚的铝板（载人航天器的主要材料），或者改变微电子器件的逻辑状态，威胁航天器的安全。国际空间站的数据表明，航天员受到的辐射当量有80%左右来自宇宙线。在太阳活动高年（指太阳黑子数量达到极大值的年份），日球层电流片会起伏颠簸得很厉害，阻滞宇宙线对太阳系的进攻，而在相对平静的太阳活动低年，宇宙线就比较容易“杀”进来了。也就是说，太阳活动低年却是宇宙线的高年。我国载人登月计划实施的2030年，正是太阳活动低年，所以要对宇宙线加强防范。

2.来自冕洞的高能粒子

在日冕中有一些成片的较暗区域，能量和气体密度都比周围低一些，看上去就像个洞口，所以叫作“冕洞”。带电的太阳粒子平时被困在太阳周围的磁场里，而如果出现冕洞，粒子就会从这里逃逸，比平时的太阳风速度快一倍。在太阳活动高年，冕洞会集中在太阳两极周围，对地球影响不大。而到了太阳活动低年，冕洞会在太阳赤道附近出现，把炮口瞄向太阳系行星的轨道面，并且大小和数量都会增加。虽然所抛射的太阳粒子比不上太阳活动高年那么剧烈，但是由于冕洞洞口很大，它们能够长期存在。随着太阳自转，从冕洞逃出来的高能粒子流每隔27天左右就要浩浩荡荡扫过地球一次，将大量带电粒子注入地球的外辐射带，给在这里运行的卫星（包括许多导航、气象、通信卫星）带来破坏。

3.高倾角近地卫星静电

运行在近地轨道上的卫星也会因太阳活动低年受到打扰，不过有趣的是，打扰的肇因不是主动攻击，而是消极怠工。当轨道倾角较大的低轨卫星穿越地球两极附近的时候，会遇到从地磁场两端的“漏斗”倾泻下来的带电粒子，其中电子会在卫星上累积，累积到一定程度时就会产生静电放电，危及卫星安全。但好在低轨卫星运行在电离层中，太阳的极紫外辐射在这里电离了地球大气，产生了大量自由的正电荷与负电荷。正电荷能够中和卫星表面积累的电子，缓解卫星的充电效应。然而，到了太阳活动低年，因为极紫外辐射降低，电离层的电离程度也会随之降低，正电荷的供给就有点跟不上了，导致低轨卫星更容易遭遇充电效应的威胁。2012年发表的一项为期12年的研究发现，尽管极光在太阳高年更加频繁，可是静电充电的频率很低，几乎不发生充电到100伏以上的事件。反倒是在太阳低年，该类事件的发生频率大大提高，最繁忙的一个月发生了近40次，电压记录最高达2000伏。

所以，太阳活动带来的空间天气复杂多变，高年和低年各有各的烦恼，在各个时期，太阳磁场与随之变化的空间环境都是羲和二号的探测研究内容。

在宇宙中，太阳是唯一可开展高空间分辨率观测的恒星，也是唯一可实现多视角立体探测的恒星。通过对太阳的观测和研究，能够深入了解宇宙等离子体的运动和演化、高能粒子的加速和传播、天体爆发现象的物理机制，以及恒星活动和行星宜居性等科学问题，具有重大的科学意义。太阳也是地球上灾害性空间天气的主要肇因，所以了解太阳活动规律对于地球上的人类生产活动也具有重要的现实意义。目前，我国正在论证后续太阳探测发展计划并陆续付诸实施，科学家希望按照在黄道面内多视角探测（以羲和二号为代表）、大倾角太阳极区探测（以夸父二号为代表）和太阳抵近观测“三步走”推进，由易到难，逐步深入，进一步了解太阳的活动规律，更准确地预报空间天气，为造福人类生活和地球安全保驾护航。

延伸阅读

中国探日计划先行者“羲和号”

羲和号是羲和二号的“探路者”，也是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星。羲和号的全名是“太阳Hα光谱探测与双超平台科学技术试验卫星”，它通过分析太阳Hα波段附近的光谱，来研究太阳爆发时的大气动力学过程和物理机制。

Hα 指氢（H）最引人注目的（α）那条谱线，它的波长是656.281nm，为颜色深红的可见光。Hα标志着氢原子电子从第三能级到第二能级的跃迁，能够指示氢等离子体的大量存在。在活跃的太阳表面，由于太阳大气的高速运动，这条谱线的波长会因“多普勒效应”发生变化，并被羲和号携带的光谱分析仪器侦测到：当氢等离子体从太阳表面升起并向地球扑来时，会把光波挤压得更密，使Hα谱线波长变短，从而推算出这团物质喷发的速率，反之亦然，可以推知物质的沉降速率。

羲和号的科学仪器由南京大学负责建设。南京大学表示，羲和号可以察觉0.0025nm的波长变化。在Hα波段折算一下就是：如果氢等离子体在太阳表面升降的速率大于1.14km/s，它造成的谱线移动就可以被察觉。

为了得到黑子或耀斑的细节数据，羲和号可以盯着日面上一个极小的区域看。但视野越小，对防震防抖的要求越高。为了让科学仪器可以“静下心”来工作，羲和号首次在太空中使用了磁浮技术，让驱动平台和科学仪器在工作时暂时分离，这也是羲和号全名中“双超”的由来：超高指向精度、超高稳定度。这项技术将被羲和二号继承并优化。

羲和号运行在距地517km的太阳同步轨道上。这个轨道穿越南北极，位于晨昏线附近的上空，始终能够看到太阳。为了确保它不会因地球公转而被地球遮蔽，这个轨道以每年逆时针360°（北半球视角）的速度缓缓进动。

羲和号是中国空间探日计划的先行者，它填补了太阳爆发源区高质量观测数据的空白，提高了恒星物理研究能力，对空间科学探测及卫星技术发展有重要意义。2023年2月17日，羲和号卫星顺利通过在轨试验总结评审。自2021年10月14日发射升空以来，这颗太阳探测卫星已实现所有预设的科学目标。它的观测数据对太阳大气差动旋转、太阳耀斑、太阳宁静区小尺度耀斑的热力学性质研究，以及Hα光谱特征分析等提供了强有力的支持。羲和号的设计寿命为3年。虽已超期服役，但运行状态良好。目前，它每天可产生约760GB供直接研究的未压缩一级太阳科学数据。