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深空探测新概念:环日全景探测计划

已有 471 次阅读 2020-6-2 09:18 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

随着人类科技的发展,人类活动的疆域从陆地、海洋、天空拓展到了太空以及其他行星。在不久的将来,深空和其他类地行星,将会成为人类活动的下一个主战场。太阳是宇宙中离我们最近的一颗恒星,它在多种时间尺度内影响着我们的行星际空间环境和行星空间环境。全方位的观测和认识太阳活动及其在行星际空间传播演化的规律和对行星空间环境的影响,是我们进入深空拓展新疆域的必备能力之一。

为此,中国科学技术大学汪毓明教授联合紫金山天文台、中科院微小卫星创新研究院、山东大学、中国科学院大学等单位相关团队在Science China Technological Sciences 发文,提出了一个新的深空探测概念——环日全景探测任务。

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这一概念首次提出在黄道面上位于地球和金星之间环绕太阳的三个椭圆轨道上,部署六个探测器,来全方位地观测和研究太阳和内日球层。初步设计六个探测器分为三组,每组中的两个探测器间隔约30度,两组之间间隔约120度。通过这种布局,环日全景探测任务将使我们具备三种前所未有的能力:(1)准确测量光球层的矢量磁场;(2)提供360度太阳和内日球层的全景图像;(3)多尺度多经度的解析太阳风扰动结构。通过这些观测能力的建立,我们将深入研究太阳周的起源、太阳爆发活动的起源、太阳风扰动结构的起源以及灾害性空间天气事件的起源这四个重大科学问题。

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为实现上述科学目标,该研究建议六个环日全景探测器上装备如下科学载荷:磁场和日震成像仪、多波段极紫外成像仪、广角日冕仪、射电频谱仪、矢量磁强计、太阳风等离子体分析器和高能粒子探测器等。初步估计每个探测器上科学载荷总质量小于110 kg,功耗不超过180 W,峰值数据率52.06 Mbps。

根据我国现有运载能力,可以使用长三甲或长三乙,以一箭双星的方式,分三次发射来完成整个探测任务的部署。具体部署探测器的周期和运载火箭的选择依赖于轨道的参数。在整个任务中最具挑战性的困难是数据传输。以目前传统的通讯方式,相距0.25 AU(太阳和地球的平均距离为1 AU)时数据传输率约5 Mbps,相距2 AU时传输率将低至70 kbps。这一数据传输率远低于理想的科学需求。而解决这一矛盾的方法,可以通过星上数据筛选有选择的传输关键数据,或者发展新一代深空通讯技术,如激光通讯技术等。

环日全景探测任务实施周期长、代价高,但其科学意义和应用意义显著。它可以分三个阶段实施,每两个探测器的部署为一个阶段。任何一个阶段的成功实施,都能带来探测能力和科学研究上的巨大进步;同时分组的设计思路,使得该任务具有国际合作的前景和可能。环日全景探测任务的成功实施将极大促进我们对太阳和周围日地空间环境的认识,从而提高人类进入深空拓展新疆域的能力。

该探测任务的预先研究得到了中国科学院战略性先导专项和国家自然科学基金委员会应急管理项目的资助。



了解研究详情,请读原文:

Wang Y M, Ji H S, Wang Y M, et al. Concept of the solarring mission: Overview. Sci China Tech Sci, 2020, 63, https://doi.org/10.1007/s11431-020-1603-2



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1 王安良

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