太阳系边际探测计划（课程报告）

二只怜雪

目录

0 引言31 太阳系边际探测发展状况32 探测任务62.1 概述62.2 载荷72.3 轨道设计7
摘要
本文的探索目标是太阳系边缘的日球层，采用IBEX项目的中性粒子收集的方式研究日球层的基本形状，而探测器最终的位置确定为拉格朗日二点，具体轨道参考嫦娥二号经过拉格朗日2点的轨道来实现。
0 引言

地球有磁层、电离层等结构保护着地球上的生物免受来自太阳以及宇宙的高能粒子以及射线的伤害，同样对于太阳而言，在太阳系的边际，有一个由日球层顶和终止激波构成的日球层边缘区域。日球层是指太阳风在银河系星际空间中吹出的巨大磁化等离子体“气泡”，气泡的外边界是日球层顶，也就是太阳风和星际等离子体的交际面，超声速的太阳风在接近日球层顶时开始减速，并在其内侧形成终止激波，终止激波是太阳系边际开始的标志。如图1【吴伟仁等，2018】


图 1太阳系边际基本概念
人类对太阳系的认识还存在许多不解之谜，距离太阳 80~150 AU的太阳系边际是极其遥远、极其寒冷、极其黑暗、神秘未知的地方，同时对太阳系内的天体也留着很多探测空白。日球层鼻尖方向和尾部都是人类航天器从未涉足的区域，人类对地球家园的深空环境还知之甚少。太阳风和星际介质“两军对垒”形成的日球层顶，是保护人类地球家园及太阳系其他成员免遭银河宇宙射线潜在危害的第一道“防线”，这道防线的物理特征还有待探查。二是“日球层全貌”。太阳风在日球层的传播和演化、太阳风和星际风的相互作用、异常宇宙线的产生机制等众多科学问题还没有统一认识。日球层三维大尺度结构是“泡状”还是“水滴形”、边际是如何运动和动态演化以及日球弓激波是否真实存在等系列问题都有待人们去解密。【王赤，2021】
1 太阳系边际探测发展状况

目前，国际上对于太阳系边界进行探测的探测器有旅行者1号和2号（图3），这两者都直接到达了太阳系的边界并且携带了磁场以及粒子探测的仪器进行直接的探测。之前的先驱者1号、2号（图2）都已经先后和地面失去了联系，新视野号（图4）还在去往太阳系边界的旅途当中，而卡西尼号在探测土星的同时，也带了一定的对于太阳系边界的观测。


图 2 先驱者号


图 3 旅行者号


图 4 新视野号
与此同时，中国也在论证自己的太阳系边际探测计划，预计于2024年前后对于日球层的鼻尖正向探测以及对于日球层鼻尖进行反向探测，并计划于2030年前后对于日球层进行极区探测（图5）。


图 5 太阳系边际阶段探测目标
但是到达太阳系边界的旅途往往耗时长久而且需要巨量的资金以及海量的人才。相比之下，美国的IBEX（星际边际探索者）项目则非常的廉价且收获颇丰。IBEX利用小的。轻量级的探测器，到达距离地面320000千米的轨道的位置，IBEX飞行器利用每分钟四转的自转，来保持其一面始终面对着太阳。这样的飞行器让科学家们建立我们的太阳系的全天空地图以及太阳系相对于银河系的位置成为可能。IBEX带来的最新结果也改变着科学家对于我们的星系以及太阳的认知（图6）。
IBEX搭载着IBEX-Hi和IBEX-Lo仪器，其主要目的是收集高能的中性原子（这些原子在太阳系的边缘产生，且有研究认为这些中性原子对于太阳系边界的形状至关重要），这些高能的中性粒子从太阳系边际到达地球需要11年，并且这些中性粒子不发出任何光线，这样就使得对于太阳系边界的光学观测无法进行，IBEX收集了六个月观测时常的中性原子，这些中性原子不仅仅可以帮助我们了解太阳系的边界，同时也可以帮助我们了解从太阳系外飘入太阳系内的物质，以及太阳风和我们的月球的表面相互作用产生的中性原子。IBEX最近带来的数据展示了太阳系边界奇怪的中性粒子异常高的条带，而这些地区此前的探测器从未涉足（图7）。


图 6　绘制太阳系边界地图的IBEX


图 7　中性粒子排放高值
2 探测任务

2.1 概述

IBEX以很低的成本带来了相对充足的数据，有理由相信对于中性粒子的进一步收集有助于揭开太阳系更多的神秘的面纱，而在地球轨道运行的IBEX很明显容易受到的来自地球以及太阳的剧烈干扰，尽管IBEX的轨道已经足够高。而想要获得一个完美的观测环境，拉格朗日2点是完美的位置，L2点距离地球是150万公里，在与太阳相反的位置上。因为地球、月球和太阳均在L2点的背后，位于该位置的探测器可以清楚地看到深空。美国宇航局的WMAP探测器目前就在该位置测量大爆炸遗留的宇宙背景辐射；中国的嫦娥2号卫星也完成了进入日地L2点环绕轨道进行深空探测等试验。以探索宇宙历史每一个阶段为目标的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）也将于2018年进入这个地区。同时，伴随地球的公转，探测器将在一年的期限当中环绕太阳一圈，进而观测几乎整个太阳系的全貌。所以，我的探测任务将太阳系中性粒子收集的IBEX计划放置于拉格朗日2点（图8），探测器命名为“萤雪”号。古代好学者聚集萤火虫的光亮、反照冰雪的光芒照亮自己的学习之路，今日月球背面的中性粒子探测器将照亮星辰大海。


图 8 拉格朗日2点
2.2 载荷

“萤雪”号的主要载荷模仿IBEX，包含简单的供电单元，以及模仿IBEX-Hi和IBEX-Lo的YH-Hi和YH-Lo两种探测装置。正如下图中所展示的，高能的中性粒子从顶部进入。虽然下图只展示了装置的一半，但是整个装置实际为一个环形，整个装置阻止了不需要的带点电荷的进入，并且是无光的环境以便于分析高能的中性粒子。同时，高能的中性粒子飞入的方向也可以被很好的探测得到。中性粒子中一种“高能中性粒子转换为离子”的材料将其转换为带正电的离子，这样他们的路径便会被底部的Bundt盘产生的磁场改变，在这样的力的作用下变化出不同的路径。在YH-Lo，也就是IBEX-Lo中，这些粒子将会进入中间的“TOF仪器”（飞行时间仪器），根据路径的差异，测出粒子的速度，速度预示着中性粒子的能量。YH-Hi也就是IBEX-Hi没有YH-Lo的TOF系统，但是也会使用中间的仪器测得粒子的速度，也会检测并吸收可见以及极紫外光。YH-Lo能够检测从10eV到2000eV的粒子，YH-Hi能够检测从300eV到6000eV的能量范围的粒子，两种仪器足够覆盖绝大多数的粒子能量检测（图9）。


图 9 IBEX载荷结构
2.3 轨道设计

参考嫦娥一号卫星轨道，卫星的整个飞行过程分成三个轨道段。如图10、11、12、13所示。卫星由长征三号甲运载火箭送入近地点高度200km远地点高度51000km 的超 GT O 轨道轨道周期为1581h。卫星与运载火箭分离后先在这条轨道上运行两圈（在这期间将在第二个远地点作一次小的轨道机动将近地点抬高到600km），在16h 轨道上运行三圈后到达近地点时进行第一次大的轨道机动将轨道周期变为24h。在这条轨道上运行一圈再次到达近地点时作第二次大的轨道机动将周期增加到48h。卫星在这三条大椭圆轨道上共运行约五天这一段轨道统称为“调相轨道”。卫星在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时再作一次大的轨道机动使卫星进入地月转移轨道。随后卫星将沿着这条转移轨道飞向球飞行114h 后到达近月点。为了使其变为绕月飞行的月球卫星还需在近月点作三次减速机动，机动后的轨道周期相继是12h、35h 和127min。


图 10 调相轨道段


图 11 地月转移轨道段（1）


图 12 地月转移轨道段（2）


图 13 月球捕获轨道段
参考嫦娥二号飞往拉格朗日的轨道，“萤雪号”日-地拉格朗日 L2 点探测轨道飞行过程包括三个阶段: 月球逃逸段、转移与捕获飞行段、L2 点 Lissajous 轨道环绕段。卫星从 100 km 环月轨道经两次加速进入转移轨道, 在到达 L2 点附近, 捕获成 Lissajous 轨道, 并在此轨道上环绕飞行。

• 从月球逃逸。设计采用两次加速控制的方式, 第一次加速控制, 卫星进入近月点约 100 km, 远月点约 3565 km, 周期约 5.3 h 的椭圆过渡轨道. 第二次加速, 卫星逃逸, 进入飞向日-地 L2 点的转移轨道。
  
• 转移与捕获轨道。从月球逃逸后, 沿转移轨道飞行, 到达 L2 点附近后, 捕获进入日-地 L2 点目标 Lissajous 轨道, 飞行轨迹如图14所示. 为保证能顺利进入目标轨道, 计划转移飞行段将根据需要实施 3~6 次中途修正. 中途修正的基本原则是轨道控制的速度增量大于 2 m/s 必须实施轨道机动, 否则取消或推迟择机实施。
  

图 14 拉格朗日2点探测任务转移轨道
参考文献
[1]王赤. 开启星际探测新征程[J]. 科技导报, 2021, 39(11): 16-20.WANG Chi. To start a new journey of interstellar exploration. Science & Technology Review, 2021, 39(11): 16-20
[2]吴伟仁,崔平远,乔栋,黄江川.嫦娥二号日地拉格朗日L2点探测轨道设计与实施[J].科学通报,2012,57(21):1987-1991
[3]杨维廉,周文艳.嫦娥一号月球探测卫星轨道设计[J].航天器工程,2007(06):16-24+118
[4]吴伟仁,于登云,黄江川,宗秋刚,王赤,于国斌,赫荣伟,王倩,康焱,孟林智,吴克,何建森,李晖.太阳系边际探测研究[J].中国科学:信息科学,2019,49(01):1-16
[5]IBEX Explores Galactic Frontier, Releases First-Ever All-Sky Map | NASA
[6]Breakthrough in understanding cosmic forces that shape Earth's heliosphere: Astrophysicists reach another milestone on their quest to understand the heliosphere -- ScienceDaily
[7]Studying the Edge of the Sun’s Magnetic Bubble | NASA
[8]https://www.nasa.gov/mission_pages/ibex/launch/index.html#.YcbSpmBByHu
[9]Interstellar Boundary Explorer: Surveying the Bounds of the Solar System | NASA
[10]Spacecraft and Instruments | NASA
[11]Voyager 1 Helps Solve Interstellar Medium Mystery | NASA
[12]NASA Missions Suggest New Shape of Sun-Galaxy Interaction | NASA
[13]Orbit - Webb/NASA
[14]NASA - 'L2' Will be the James Webb Space Telescope's Home in Space
[15]Payload | Interstellar Boundary Explorer (princeton.edu)