日前舉行的日地L5太陽探測工程（羲和二號）項目啟動會透露，我國計劃在2028年至2029年間，擇機向日地L5（第五拉格朗日點）發(fā)射羲和二號，從全新的波段與視角對太陽開展立體觀測。這將是國際上首次將人造探測器長期部署在日地L5，有望在太陽爆發(fā)機制方面取得有世界級影響力的科學成果，并為空間天氣預警和預報帶來革命性的推動。

“拉格朗日點”L1、L2、L3、L4、L5，羲和二號位于L5。（示意圖）

羲和二號“旁觀”太陽活動的視角。（示意圖）

羲和號觀測到的太陽表面活動景象。（視頻截圖）

中國將從全新視角立體觀測太陽

何謂“羲和”？羲和是《山海經(jīng)》中的太陽之母，是《楚辭》中駕馭太陽車東升西落的神，也是中國古代觀測天象與制定歷法的官職。所以，2021年10月發(fā)射的我國首顆太陽探測科學技術(shù)試驗衛(wèi)星被命名為“羲和號”，它標志著我國步入空間探日時代。而羲和二號是在羲和號基礎(chǔ)之上邁出的重要一步，羲和二號發(fā)射后，將從全新的波段和視角對太陽開展立體觀測。

為什么說是立體觀測呢？羲和號圍繞地球運行，距離地面平均只有517公里，它和地球看到太陽的視角可以說是一樣的。而羲和二號將去往日地L5，尾隨地球圍繞太陽運行，它距離太陽和地球各1.5億公里，和二者構(gòu)成了一個等邊三角形。如果太陽向地球拋出一團日冕物質(zhì)，那么羲和二號能提供一個“旁觀者”的視角，告訴地球所看到的“這一拳”是如何打出來的。這將是國際上首次將人造探測器長期部署在日地L5：此前人類發(fā)射的太陽探測器已有70多顆，絕大多數(shù)都分布在日地連線上，少數(shù)環(huán)繞太陽運行，還有些漂移到太陽背后去，卻還沒有探測器在日地L5長期駐留。

從羲和二號所在的位置，可以瞧見地球上無法看到的太陽側(cè)后方60°區(qū)域，而這一區(qū)域?qū)⒃谒奈逄旌箅S著太陽自轉(zhuǎn)朝向地球。所以，如果太陽正在悄悄醞釀即將撲向地球的災害性空間天氣，如耀斑、日冕物質(zhì)拋射等，那么羲和二號能夠先于地球察覺，為應急響應爭取更多準備時間。

羲和二號發(fā)射后，將花大約800天時間飛向日地L5。由于這里是一處引力平衡點，它無需消耗過多推進劑就能維持軌道穩(wěn)定，設(shè)計壽命長達7年。羲和二號將對太陽磁場和太陽活動實現(xiàn)精細測量，結(jié)合地球視角的觀測數(shù)據(jù)，建立完整的太陽爆發(fā)三維物理模型，并增強我國空間天氣預警預報能力。

羲和二號預計發(fā)射質(zhì)量約為1600千克，將攜帶光譜磁場望遠鏡、極紫外成像儀、日冕日球?qū)映上癜⒏吣芴柾h鏡、原位測量包5類科學載荷，旨在完成太陽磁場、日冕、日球?qū)涌臻g的高分辨率遙感探測，以及太陽風、行星際磁場、空間粒子的高精度局地探測。羲和二號從羲和號那里繼承并優(yōu)化了磁浮控制衛(wèi)星平臺，這一技術(shù)能夠達到超高指向精度與超高穩(wěn)定度，方法是讓驅(qū)動平臺和科學儀器在工作時暫時分離，這樣一來，驅(qū)動平臺里的機械設(shè)備工作時，就不會影響到正在專心“看”太陽的科學儀器模塊了。除此之外，經(jīng)過5年多的預研，項目團隊還解決了如日冕儀雜散光抑制等多項關(guān)鍵技術(shù)問題。

總而言之，羲和二號是一項科學目標牽引、工程技術(shù)支撐、具有國際前瞻性的原創(chuàng)性深空探測工程。其首次奔赴日地L5的壯舉，將填補國際上太陽立體觀測的空白。同時，它也面臨著不小的挑戰(zhàn)。羲和二號要去的地方離我們1.5億公里，需要兩年時間才能抵達，單向通信延遲超過8分鐘，這對探測器的軌道測控和姿態(tài)調(diào)整提出了很高的要求。此外，探測器到達日地L5后，要及時全面開展工作，它的所有5類科學載荷都相當復雜，一旦硬件出問題，是無法維修更換的，所以要求地面調(diào)試全面細致，通過全流程模擬測試、極端環(huán)境驗證等手段，在發(fā)射前盡最大可能發(fā)現(xiàn)并排除潛在風險，以保障探測器長期在軌平穩(wěn)運行，持續(xù)產(chǎn)出高質(zhì)量科學數(shù)據(jù)。

羲和二號為何選擇第五拉格朗日點

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展與空間科學研究的推進，越來越多的“太空玩法”得到了應用，一個“新”詞匯“拉格朗日點”也頻頻被提及。比如，羲和二號將前往日地第五拉格朗日點；系外地球（ET）巡天任務將部署在日地第二拉格朗日點；鵲橋號中繼衛(wèi)星在地月第二拉格朗日點附近運行，提供月球背面和地球的通信服務。

要了解拉格朗日點是什么，得先來分析另一個問題：在地球軌道面的哪個位置放個小天體，可以使它圍繞太陽公轉(zhuǎn)時，與太陽、地球的相對位置保持不變呢？這實際上是一個通常不可精確求解的三體問題，但在比較嚴格的限定條件下，如“在同一個平面上，第三個天體的質(zhì)量小到可忽略不計”，還是可以求得幾個特解的。1767年，瑞士數(shù)學家、自然科學家歐拉求出了這個問題的3個特解。1772年，法國數(shù)學家、物理學家拉格朗日又算出另外2個特解。這5個特解在公轉(zhuǎn)軌道附近所對應的位置，就叫作“拉格朗日點”，分別被編號為L1、L2、L3、L4、L5。

這5個數(shù)字分別對應著唯一的位置，不可任意調(diào)換。以太陽和地球為例：L1在日地之間的連線上，并且距離地球更近；L2在日地的連線延長線上，位于地球一側(cè)，或者可理解為在地球陰影方向；L3在地日的連線延長線上，位于太陽身后、地球的對面，與太陽的距離基本等于日地距離；L4和日地成等邊三角形，引領(lǐng)著地球運行；L5和日地也成等邊三角形，尾隨著地球運行。

可以看出，L1、L2一個在地球軌道內(nèi)側(cè)、一個在外側(cè)。按說，位于內(nèi)圈的L1應該跑得比地球快，位于外圈的L2應該跑得比地球慢。而實際上，L1、地球、L2在以同樣的角速度奔跑在黃道面上。位于L1的小天體永遠懸停在地球的白晝一方，位于L2的小天體則始終逗留在地球的黑夜一方。造成這種有趣現(xiàn)象的本質(zhì)原因是，位于拉格朗日點的小天體都在圍繞太陽與地球的共同質(zhì)心運行。

因此，科學家根據(jù)拉格朗日點的這種特性，為特殊性質(zhì)的太空探測設(shè)計了量身定制的方案。

L1在日地之間，這個位置適合放置研究太陽的探測器（如日光層探測儀），它們距離地球150萬公里左右，在月球軌道以外，永遠不會掉進地球或月球的陰影，并且會比地球提前撞上太陽拋來的物質(zhì)。嫦娥五號軌道器當初完成既定探月任務后，由于項目進展順利，推進劑充足，所以“加了個班”飛到日地L1，開展了一些太陽探測任務。

L2在地球陰影方向，距離地球也是150萬公里左右。這個位置適合做一些背向日月地球、向宇宙超深空凝望、探測宇宙大爆炸余暉的任務，如威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）與韋布空間望遠鏡（JWST）。地月系也擁有自己的5個拉格朗日點，鵲橋號就在月球背面的地月L2，同步跟隨月球圍繞地球運行，并把月球背面嫦娥四號的信息傳到地面上來。大家可能會問：既然它在月球背面，地球應該看不到才對，那它又如何執(zhí)行中繼任務呢？其實，拉格朗日點只是數(shù)學里的特解，在現(xiàn)實世界并不是穩(wěn)定平衡點，鵲橋號實際上在圍繞地月L2畫著一個又一個大圈，月球是遮不住它的，所以地球始終都能接收到它發(fā)出的信號。

目前，還沒有航天器在L3工作。這里和地球之間隔著太陽，即使獲得信息也發(fā)不過來，而且這個位置十分難以保持穩(wěn)定。但L3是科幻小說作者鐘情的地方，常常在這里描繪一個“反地球”，在這里做些不想讓人類察覺的事情。

L4和L5的穩(wěn)定性容易維持，也很適合研究太陽，但過去沒有長期部署在此的探測任務，一是它們和地球距離太遠（1個日地距離），二是過去研究太陽的工作任務在L1基本就能實現(xiàn)。相較而言，L5比L4更有應用價值，因為這里位于太陽自轉(zhuǎn)的上游，當太陽風暴爆發(fā)時，L5可以比地球提前四五天知道，為地球發(fā)來預警，這也正是羲和二號選定L5的原因。

研究任務覆蓋太陽活動低年到高年

羲和二號預計在2028年至2029年發(fā)射，設(shè)計壽命7年，能夠覆蓋到太陽活動從低年爬升到高年的這段時間，以實現(xiàn)對太陽磁場和太陽活動的變化進行全面的觀測研究。經(jīng)過中國北方頻繁出現(xiàn)極光的2024年和2025年，大家對黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射這些太陽活動應該都比較熟悉了，那么，在太陽活動低年（指太陽活動周期中黑子數(shù)量最少、活動最微弱的年份），科學家能研究些什么呢？

其實，太陽活動低年也會惹出不少麻煩，而這些同樣是空間天氣預警要留意的事情。

1.乘虛而入的宇宙線

地球作為太陽的“小弟”，無時無刻不被太陽“罩”著。太陽風在星際空間中吹出一個半徑百億公里級的大泡泡，叫作“日球?qū)印?，其中最大的結(jié)構(gòu)是“日球?qū)与娏髌保筛S太陽旋轉(zhuǎn)的磁場驅(qū)動太陽風物質(zhì)所構(gòu)成，對來自星際空間的宇宙線流量起著調(diào)制作用。宇宙線主要由質(zhì)子與α 粒子組成，以接近光速飛行，能量極高，可以穿透10-20厘米厚的鋁板（載人航天器的主要材料），或者改變微電子器件的邏輯狀態(tài)，威脅航天器的安全。國際空間站的數(shù)據(jù)表明，航天員受到的輻射當量有80%左右來自宇宙線。在太陽活動高年（指太陽黑子數(shù)量達到極大值的年份），日球?qū)与娏髌瑫鸱嶔さ煤軈柡?，阻滯宇宙線對太陽系的進攻，而在相對平靜的太陽活動低年，宇宙線就比較容易“殺”進來了。也就是說，太陽活動低年卻是宇宙線的高年。我國載人登月計劃實施的2030年，正是太陽活動低年，所以要對宇宙線加強防范。

2.來自冕洞的高能粒子

在日冕中有一些成片的較暗區(qū)域，能量和氣體密度都比周圍低一些，看上去就像個洞口，所以叫作“冕洞”。帶電的太陽粒子平時被困在太陽周圍的磁場里，而如果出現(xiàn)冕洞，粒子就會從這里逃逸，比平時的太陽風速度快一倍。在太陽活動高年，冕洞會集中在太陽兩極周圍，對地球影響不大。而到了太陽活動低年，冕洞會在太陽赤道附近出現(xiàn)，把炮口瞄向太陽系行星的軌道面，并且大小和數(shù)量都會增加。雖然所拋射的太陽粒子比不上太陽活動高年那么劇烈，但是由于冕洞洞口很大，它們能夠長期存在。隨著太陽自轉(zhuǎn)，從冕洞逃出來的高能粒子流每隔27天左右就要浩浩蕩蕩掃過地球一次，將大量帶電粒子注入地球的外輻射帶，給在這里運行的衛(wèi)星（包括許多導航、氣象、通信衛(wèi)星）帶來破壞。

3.高傾角近地衛(wèi)星靜電

運行在近地軌道上的衛(wèi)星也會因太陽活動低年受到打擾，不過有趣的是，打擾的肇因不是主動攻擊，而是消極怠工。當軌道傾角較大的低軌衛(wèi)星穿越地球兩極附近的時候，會遇到從地磁場兩端的“漏斗”傾瀉下來的帶電粒子，其中電子會在衛(wèi)星上累積，累積到一定程度時就會產(chǎn)生靜電放電，危及衛(wèi)星安全。但好在低軌衛(wèi)星運行在電離層中，太陽的極紫外輻射在這里電離了地球大氣，產(chǎn)生了大量自由的正電荷與負電荷。正電荷能夠中和衛(wèi)星表面積累的電子，緩解衛(wèi)星的充電效應。然而，到了太陽活動低年，因為極紫外輻射降低，電離層的電離程度也會隨之降低，正電荷的供給就有點跟不上了，導致低軌衛(wèi)星更容易遭遇充電效應的威脅。2012年發(fā)表的一項為期12年的研究發(fā)現(xiàn)，盡管極光在太陽高年更加頻繁，可是靜電充電的頻率很低，幾乎不發(fā)生充電到100伏以上的事件。反倒是在太陽低年，該類事件的發(fā)生頻率大大提高，最繁忙的一個月發(fā)生了近40次，電壓記錄最高達2000伏。

所以，太陽活動帶來的空間天氣復雜多變，高年和低年各有各的煩惱，在各個時期，太陽磁場與隨之變化的空間環(huán)境都是羲和二號的探測研究內(nèi)容。

在宇宙中，太陽是唯一可開展高空間分辨率觀測的恒星，也是唯一可實現(xiàn)多視角立體探測的恒星。通過對太陽的觀測和研究，能夠深入了解宇宙等離子體的運動和演化、高能粒子的加速和傳播、天體爆發(fā)現(xiàn)象的物理機制，以及恒星活動和行星宜居性等科學問題，具有重大的科學意義。太陽也是地球上災害性空間天氣的主要肇因，所以了解太陽活動規(guī)律對于地球上的人類生產(chǎn)活動也具有重要的現(xiàn)實意義。目前，我國正在論證后續(xù)太陽探測發(fā)展計劃并陸續(xù)付諸實施，科學家希望按照在黃道面內(nèi)多視角探測（以羲和二號為代表）、大傾角太陽極區(qū)探測（以夸父二號為代表）和太陽抵近觀測“三步走”推進，由易到難，逐步深入，進一步了解太陽的活動規(guī)律，更準確地預報空間天氣，為造福人類生活和地球安全保駕護航。

來源：北京日報