开创性的Proba-3任务依靠两个航天器团队合作来揭开太阳的秘密

Proba-3是一项开创性的任务，它依靠两个航天器的团队合作来揭开太阳的秘密。当 Coronagraph 航天器捕捉太阳外层大气的微弱光辉时，Occulter 航天器就像一面盾牌，挡住了太阳圆盘的强光。 但占星仪的作用不仅仅是辅助，它本身也是一个科学平台，装有一个创新仪器，用于持续测量太阳的总能量输出。

Proba-3 的一对卫星将在高椭圆轨道上围绕地球运行，执行编队飞行任务，并对日冕进行科学研究。 遮蔽者卫星面向太阳的一面将安装太阳能电池板。 图片来源：ESA-P. 卡里尔

Proba-3 是一项非同寻常的任务，需要两个航天器协同工作才能取得成功。 日冕仪航天器的任务是观测太阳微弱的外层大气，但要做到这一点，它的搭档--带圆盘的占星仪航天器必须精确地阻挡太阳的强光。 这种设置使占星仪始终面向太阳，使其本身成为一个有价值的科学平台。

2024 年 9 月，Proba-3 Occulter（前方）和 Coronagraph（背景）航天器在 Redwire Space 的洁净室中进行测试。 图片来源：红线太空公司

在占星仪面向太阳的一侧，安装了一台专用仪器，用于持续测量太阳的总能量输出，即太阳总辐照度。 这项测量是了解地球气候的关键因素，因为它代表了地球的主要能量输入。

这次任务的仪器是鞋盒大小的达沃斯绝对辐射计（DARA），由瑞士达沃斯物理气象观测站（PMOD）开发和提供。

热真空测试活动中看到的 Proba-3 的 DARA 辐射计。 图片来源：PMOD

"研究人员过去常说'太阳常数'，但实际上它总是在发生微小的变化，"PMOD 的 DARA 首席研究员 Wolfgang Finsterle 解释说。"跟踪太阳总辐照度至关重要，因为它是地球表面的主要能量输入。 它相当于地球上可用能量的 99.978%，包括储存在煤炭和石油中的太阳能。 它驱动着地球气候的所有动态过程，因此，即使是最微小的变化也会产生巨大的影响。"

SOHO 是欧空局和美国国家航空航天局的一个国际合作项目。 SOHO 的科学研究范围从太阳炙热的内部，到可见的表面和狂风暴雨般的大气层，再到遥远的区域，在那里，来自太阳的风与来自恒星间的原子微风展开了激烈的争斗。 图片来源：欧空局

一个多世纪以来，位于山区的PMOD一直在研究太阳总辐照度，最初使用地面仪器，后来从20世纪70年代开始部署天基辐射计，以获取连续的数据集。 世界气象组织授权PMOD作为世界辐射中心，负责校准联合国全球监测计划中的辐射测量数据。

沃尔夫冈补充说："太阳总辐照度随太阳活动的 11 年周期而变化，寻找长期能量漂移的最明显方法之一就是比较连续太阳极小值之间的太阳总辐照度。"

Proba-3 的鞋盒大小的达沃斯绝对辐射计（DARA）安装在任务的 Occulter 航天器的向阳面上，将保持对太阳总能量输出（称为太阳总辐照度）的连续测量，这是气候研究的一个重要变量。 资料来源：PMOD

这需要长时间序列的数据，最好是来自多个仪器的数据，因为单个辐射计的灵敏度会因持续暴露于太阳光中的硬紫外线而下降。 尽管如此，任何衰减都是非常缓慢的：例如，1995 年发射的欧空局-美国国家航空航天局SOHO 太阳观测站上的辐射计仍在令人满意地工作。

DARA 的基本工作原理非常简单。 辐射计有一个直径为 5 毫米的腔体，腔体由涂黑的银制成，具有低温发射率。 每次 15 秒钟，太阳光会加热空腔内部，然后空腔入口处的快门叶片会自动关闭。

Proba-3 动画。 资料来源：欧空局

在接下来的 15 秒钟里，电热会维持腔体之前的温度--维持这一温度所需的能量被推断为太阳总辐照度的单位，即每平方米瓦特。

这一过程将持续仪器的整个使用寿命--DARA 采用的驱动快门设计已在 PMOD 的真空室中进行了数百万次的开关测试。

成对的 Proba-3 卫星将采用高椭圆轨道，远地点（或轨道顶端）约为 60000 公里，近地点为 600 公里。 日冕仪观测的基础是在两颗卫星之间形成人造日食，以及在远地点进行主动编队飞行实验，在卫星绕圈接近地球时进行被动编队飞行。 图片来源：ESA - P. Carril， 2013

沃尔夫冈补充说："DARA改进了以前的辐射计设计，优化了腔体设计，最大限度地减少了不必要的杂散光，并采用了多通道测量系统进行自我校准。 这一代仪器还具有全数字控制回路，可以进行更高频率的观测试验。"

负责监督其开发的 PMOD 公司的维尔纳-施穆茨（Werner Schmutz）指出，这种辐射计设计的两个版本已经试飞： 2017年，一个名为"CLARA"的紧凑型版本搭载在Noway公司的NorSat-1立方体卫星上，至今仍在运行，而之前的"DARA"则搭载在2021年发射的中国风云-3E气象卫星上。 因此，我们对这一设计非常有信心，只要Proba-3占星仪指向太阳，它就能在精度半度范围内运行。"

Proba-3 的 DARA 与以前的辐射计的主要区别在于它的轨道非常长，将在地球表面上空 60000 公里处运行。 DARA 可以根据距离的远近自动调整太阳圆盘大小的微小变化--这也是地球每年围绕太阳运行的椭圆轨道造成的。 辐射计只需要知道它在太空中的位置，它的数据收集工作就能补偿这种变化。

编译自/ScitechDaily