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夸父计划
夸父计划
——追逐太阳风暴的“天眼”
工程总投资：
15亿元左右
工程期限：
2003年——2015年
中国古代有神话故事“夸父逐日”，讲的是神人夸父不惜生命追赶太阳。
现在，我国有了探索太阳的“夸父计划”。
如果按期实施，该计划将是世界上唯一一个系统的日地空间探测计划。
什么是夸父计划
2007年10月24日，中国绕月探测卫星嫦娥一号卫星成功发射，举国欢庆，让国际社会对中国的深空探测能力惊叹不已。
也为‘夸父计划’再发射、测控等方面奠定了极好的基础。
与“嫦娥计划”不同的是，“夸父计划”是锁定太阳的深空探测计划，又称为“空间风暴、极光和空间天气”探测计划，由三颗卫星组成。
该计划将由一颗位于日地系统第一拉格朗日点（也称L1点，即地球与太阳之间的引力平衡点）的卫星“夸父A”和两颗沿极轨共轭飞行的卫星“夸父B1”、“夸父B2”组成综合观测系统，将用于连续监测太阳剧烈活动及其导致的日地空间环境连锁变化的全过程。
其中A星设置在距地球150万公里的日地连线上，用来全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象。
另两颗卫星B1和B2在地球极轨大椭圆轨道上飞行，用来监测太阳活动导致的地球近地空间环境的变化。
虽然夸父卫星的对地距离比嫦娥一号卫星远了4倍，但是嫦娥一号在测控方面所使用的50米大天线，该计划也会充分利用到。
“夸父计划”的原创性科学思想和基本概念是在2003年1月24日在国家自然科学基金委地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上，首先由北京大学涂传诒院士在同肖佐、张永维总师和中国科学院魏奉思教授讨论的基础上提出的。
随后，“夸父计划”预研成为由北京大学牵头、国家自然科学基金委支持的重点项目，并有国内外有关科技专家大力支持和参与。
此后，国防科工委组织了相关评审。
根据国防科工委建议，以“夸父计划”为基础，与中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士建议的“风暴计划”进行了整合，叫做“夸父—太阳风暴、极光和空间天气计划”。
“夸父计划”的科学目标是观测空间天气事件从太阳到地球的整体连续变化现象，揭示控制日地空间系统的基本物理过程，提高空间天气灾害预报的准确度，服务航天通讯等高科技活动。
太阳扰动会导致卫星失灵，影响航天员安全，对地面各种通讯设备形成干扰。
“夸父计划”能帮助人类对太阳活动进行预测预报，采取相应的防护措施。
其科学意义表现在：
“夸父计划”将对日地空间天气系统的两端——太阳大气和地球空间——进行前所未有的时空连续、多层次的成像观测，完成从太阳大气到近地空间完整扰动因果链的探测，通过多方面的首创性监测，实现日地系统端到端的整体、连续成像观测。
并预期在日地系统的能量及扰动的耦合机制如太阳爆发先兆、太阳风的形成机制等方面取得具有重要原创意义的突破性进展。
届时，“夸父计划”将与其他空间计划一起进入以探测日地空间整体行为为标志的空间探测新纪元。
由于2012年将是下一个太阳活动峰年，2012年至2014年太阳活动将会很强烈，因此“夸父计划”三颗卫星建议在这个时间内发射，主要是为观测到新的日地物理现象，进一步揭示日地空间风暴机理，监测行星际扰动传播，为灾害性空间环境预报提供观测数据。
初期飞行时间将为2至3年。
美国国家海洋和大气局太空环境中心将2003年11月4日爆发的太阳耀斑确定为X28级，是人类有史以来所记录的最大的太阳耀斑。
不容小视的太阳风暴及其危害
空间环境的组成，除了离地面５０至６０千米以下还保持是中性气体，高空大气则逐渐电离。
从应用角度，１０００千米以下叫电离层，在更大的高度上，地球大气完全电离，电离气体的运动完全受地球磁场控制，叫做磁层。
地球大气之所以电离，其能量主要来自太阳辐射。
地球的磁层外面就是行星际的空间，行星际空间的物质主要是从太阳外层大气上刮出来的风，太阳风都是带电的粒子。
从太阳大气到地球电离层组成日地空间，其间还有来自太阳和宇宙其他天体的高能带电粒子以及磁场。
我们用肉眼看到的太阳，就像一个很亮的光盘。
根据物理上黑体辐射的定律，由可见光发射出来的能量和光谱的形状，这个可见光盘温度应该约有６０００度。
可实际上这只是太阳表面（即光球层）的温度，在太阳光球层以上的地方温度会高达１００万度，这时它往外辐射的就是紫外、Ｘ射线、ｙ射线等。
太阳表面大气最外一层是日冕，日冕分内冕和外冕，内冕只延伸到离太阳表面约０．３个太阳半径处，外冕则可达到几个太阳半径甚至更远。
日冕由很稀薄的完全电离的等离子体组成。
太阳上还有很多剧烈的活动，比如日冕物质抛射（ＣＭＥ），就是日冕中经常会有大量的物质抛射出来。
抛射速度在每秒几百千米甚至上千千米，每次抛射的物质总量可达上百亿吨。
日冕物质抛射是影响近地空间环境严重的事件之一。
抛射出来的东西都是带电粒子，虽然很稀薄，但是抛射的范围大，能量也很大。
它们冲击到地球附近的时候就会造成对地球空间的灾害性事件。
太阳扰动地球空间的另一个重要因素是太阳耀斑。
耀斑是太阳上某些高能的活动区在扰动的情况下，带电粒子的能量和太阳磁场的能量相互转换过程，太阳的一部分磁场加速了带电粒子的活动，耀斑爆发的时候，从紫外光一直到Ｘ射线谱段，辐射特别的增强。
这种辐射对地球的影响就是直接破坏地球的电离层。
短波通讯会因为短波信号被电离层的Ｄ层吸收而中断；微波导航会因为电离层不规则结构引起的信号幅度／相位闪烁而导致失去原来的导航定位精度。
耀斑的爆发和日冕物质抛射有时是相互伴随着的，有时又是单独的。
所以它们之间的关系也是我们要研究的问题。
地球本身有磁场，太阳风是带电粒子。
带电粒子到了地球附近的时候，跟地球磁场相互作用，磁场有时候能够挡住带电粒子，使它不能穿过磁场直接进去，所以它就沿着磁线到达地球的两极，就产生了极光。
所以我们研究极光的时候，就能够知道太阳粒子的性质，有多少能量，最终会对地球造成什么样的影响。
所以，＂夸父＂计划里主要就是监测日冕物质抛射和极光。
太阳活动通过突然增强的电磁辐射、高能粒子注入日地空间、大量的磁化等离子体；中击地球磁层等扰动方式对日地空间进行影响。
这些扰动引起地球磁场激烈变动，可能会造成的灾害性事件有：
宇航员可能受到辐射伤害；无线电传播受到强烈干扰；电磁遥感测量在磁暴期间常常发生错误；电波路径发生位移，ＧＰＳ定位、导航产生误差；大磁暴使电网超载、造成输送中断；卫星衰老并过早陨落，星载电子仪器受到严重损害。
据资料显示，1971年2月至1986年11月，美国卫星出现的1589次异常事件中，７０％与卫星所处的空间环境有关，空间环境直接诱发的异常事件占１６．７％。
卫星故障分析表明，在所有卫星故障中，空间环境诱发的故障约占４０％。
近十几年太阳风暴造成的灾难事件（不完全统计）
1989年3月13-14日，强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电；全球无线电通讯受到干扰；日本一颗通讯卫星异常；美国一颗卫星轨道下降；
1991年4月29日，强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏；
1994年1月20-21日，两个加拿大通讯卫星发生故障；
1997年1月6-11日的日冕物质抛射使AT&T公司通讯卫星报废；
1998年5月19日美国银河四号通讯卫星失效,同时德国一颗科学卫星报废；
2000年7月14日欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到严重损害，日本的ASCA卫星失控，AKEBONO卫星的计算机遭到破坏。
2003年10月28日，欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害，日本“回声”卫星失控。
如梦似幻的北极光
壮丽的极光
极光在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。
它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。
极光多种多样，五彩缤纷，形状不一，绮丽无比，在自然界中还没有哪种现象能与之媲美。
任何彩笔都很难绘出那在严寒的北极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。
许多世纪以来，这一直是人们猜测和探索的天象之谜。
从前，爱斯基摩人以为那是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。
13世纪时，人们则认为那是格陵兰冰原反射的光。
到了17世纪，人们才称它为北极光——北极曙光（在南极所见到的同样的光称为南极光）。
随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。
在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为“太阳风”。
太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流。
太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场。
地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。
两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。
太阳每11年左右有一个非常活动期，发出大量高能粒子进入宇宙空间。
此时出现的极光最为瑰丽壮观。
在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。
在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州，一年平均只能见到4次左右。
大多数极光出现在地球上空90—130千米处。
但有些极光要高得多。
1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。
在中国的东北漠河地区经常可以见到美丽的北极光。
格陵兰上空出现的婀娜多姿、亦幻亦真的北极光
目前，许多科学家正在对极光作深入的研究。
人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。
而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。
用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。
沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕，地球磁场为电子束导向磁场。
科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。
例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。
极光不但美丽，而且在地球大气层中投下的能量，可以与全世界各国发电厂所产生电容量的总和相比。
这种能量常常搅乱无线电和雷达的信号。
极光所产生的强力电流，也可以集结在长途电话线或影响微波的传播，使电路中的电流局部或完全“损失”，甚至使电力传输线受到严重干扰，从而使某些地区暂时失去电力供应。
怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。
日冕
日全食时，黑暗的太阳外围是银白色的光芒，像帽子似地扣在太阳上，因此称为日冕。
日冕是太阳最外围大气。
平时要观测日冕，需要用特别的日冕仪。
日冕的范围很大，用日冕仪只可以观测到接近太阳表面的那部分日冕，一般叫做内冕。
它的边界离太阳表面约有3个太阳半径那么远，或者说约为200万千米。
在此以外的日冕叫做外冕，它向外延伸到地球轨道之外。
日冕的物质非常稀薄。
内冕密度稍微大一些，但它的密度也低于地球大气的十亿分之一，几乎接近真空。
日冕的形状很不规则，有时候呈圆形，有时候呈扁圆形，结构也很精细，在太阳赤道四周有很多向外流动的“冕流”伸向远处，太阳极区则有一些纤细的羽毛状的“极羽”。
日冕的温度非常高，可达200万度。
令人不可思议的是，离太阳中心最远的光球层，温度是几千度。
稍远些的色球层，温度从上万度到几万度。
而距离太阳中心最远的日冕，温度竟然高达百万度。
这一反常的现象意味着什么，科学家们目前还未找到合理的解释。
技术攻关
“夸父计划”工程论证由东方红卫星公司牵头，会同北京大学、中国气象局、中国科学技术大学（与山东大学威海分校合作）、中科院空间中心等共同完成。
目前，已对有效载荷对工程的要求、轨道设计、运载与发射、地面测控和测定轨、地面数据接收、卫星设计等进行了全面论证并已顺利完成，主要结论是：
在我国嫦娥一期的基础上，实现“地—月”之间的测控技术基础已具备；在我国嫦娥二期和深空站建设完成之后（2011年），“夸父计划”所需的基础技术条件将全部具备。
涂传诒、肖佐等科学家已对关键科学探测仪器（有效载荷）的研制、夸父A星的轨道设计与实现技术、夸父A星的深空自主运行技术、夸父B星的高精度姿轨联合控制实现技术等科学问题和技术难点进行了细致的分析。
例如，夸父A所要到达的L1点位于日地连线上，距地球150万公里，目前，只有NASA和ESA为数不多的航天器，如SOHO、ACE、ISEE等飞行器到达过L1点。
夸父A卫星选择哪种运载工具、转移轨道才能到达距地球约150公里的L1点；选择何种方式保持卫星轨道在L1点上；夸父A卫星如何实施远距离测控和通信；L1点通信距离上属于深空范畴，如何在深空条件下实施对卫星的测控和数据传输通信……这些都是夸父A卫星实现的关键环节之一，也是夸父A工程要解决的首要问题。
夸父B卫星飞行任务目标是实现一天24小时、一周7天连续观测北极光的分布，为了实现这个目标，夸父B有两颗同样的卫星组成：
夸父B1和夸父B2。
这两颗卫星的轨道要位于同一极轨上，呈共轭飞行状态,远地点高度6个地球半径，近地点0.8个地球半径。
选择什么运载工具和发射方式是夸父B卫星工程要解决的关键技术。
除此之外，整个"夸父计划"都采用成像技术，它所使用的一些特殊成像仪器都要作技术攻关，如中性原子成像仪、太阳白光日冕仪。
由于地球的外层空间有一些中性的氧原子，需要用现在的成像技术把其速度分布形成为图形，以确定在太阳有扰动时，外层空间到底是如何响应的，但是由于中性原子本身通过交换原子以后可以成像，所以这里涉及一些新的成像技术方面的难点。
国际合作
德国、法国、比利时、奥地利、加拿大等国10多位著名空间科学家也将参与这项由中国人发起的太阳探索计划。
德国科学家莱内尔·施温说，虽然近年来科学家已在日地物理研究方面取得很大进展，但对许多关键问题仍缺乏了解，比如，日冕物质抛射的前兆是什么？
太阳扰动源、太阳扰动传输、扰动的地球效应等。
“夸父计划”有望一一解答这些问题。
加拿大航天局空间物理大气科学首席科学家刘维宁说：
“太阳扰动会导致卫星失灵，影响航天员安全，对地面各种通讯设备形成干扰。
‘夸父计划’能帮助人类对太阳活动进行预测预报，从而采取相应的防护措施。
加拿大将参与设计两颗围绕地球飞行的卫星，并在卫星上搭载科学仪器。
”
深远的影响
中国的“夸父计划”与美国军方计划于2008年发射C/NOFS（通讯/导航中断预报系统Communication/NavigationOutageForecastingSystem）卫星计划一样，对于空间天气预报都非常重要。
夸父3颗卫星将第一次监测从太阳风到磁层的整个能量传输过程。
它将可能解决地球空间对太阳风暴响应的过程中的一个重大问题，即大尺度的能量和质量是如何从太阳通过日地空间传输到磁层的。
到现在为止，只有美国在L1点上发射了太阳监测卫星（SOHO飞船）。
但不同的是，中国的“夸父计划”是连续的日地系统的监测计划。
夸父卫星的轨道设计成“L1+极轨”，这是一种全新的协同轨道设计。
夸父B1和B2可通过成像获得磁尾磁重联所造成的磁层全局响应的信息，其成像可以使我们更精确地度量亚暴和磁暴期间能量的注入。
夸父计划”的实施将使我国自主深空探测距离从“嫦娥计划”的38万公里推进到L1点的150万公里，将使我国成为世界上第二个独立完成L1点飞行卫星研制、发射和远距离测控通讯任务的国家；同时，该计划将提升我国航天技术基础能力，培养和造就具备国际水准的科技与工程人才。
充分展示中国“和平利用太空、为人类作贡献”的意愿。
夸父计划三颗卫星的位置
夸父计划卫星概况
夸父A卫星
有效载荷
主要有效载荷：
EUV/FUV成像仪（EDI）
日冕动力学成像仪（CDI）
射电爆发监测仪（RBI）
太阳风仪器包（SWIP）
太阳高能粒子探测器（SEPS）
有效载荷总需求：
总质量约93kg、总功率约83W、总数据率约175kbps
主要参数:
尺寸:
1350mm×1440mm×1400mm（展开前）
5500mm×5200mm×3300mm（展开后）
质量:
总质量:
800Kg
载荷:
200Kg
平台:
500Kg（包含100Kg肼）
余量:
100Kg
功耗:
总功耗:
520W
载荷:
120W；平台:
320W；余量:
80W
测控:
频段:
Sband
数据率:
≥1Kbps
数传:
频段:
Xband
数据率:
≥180Kbps
姿态控制:
指向精度:
≤45”（Xaxis）
姿态稳定度:
≤3”/30s（Xaxis,shorttime）
夸父B卫星
飞行任务
夸父B飞行任务目标是实现一天24小时，一周7天连续观测北极光的分布为了实现这个目标，夸父B有两颗同样的卫星组成：
夸父B1和夸父B2
轨道：
两颗卫星的轨道位于同一极轨上，呈共轭飞行状态,远地点7Re，近地点1.8Re
夸父B有效载荷
UV极光监测照相机（UVAMC）
极紫外光谱成像仪（FUVSI）
宽视角极紫外线成像仪（WFAI）
中性原子成像仪（NAIK）
磁通门磁强计（FGM）
高能带电粒子探测仪器（HECPE）
三频相干信标（RSE）
夸父B卫星初步考虑
自旋转速:
6rpm
星体直径：
2.9m
星体高度：
1.3m
电源功率：
300W
质量：
总质量：
400kg
其中载荷：
43kg
寿命：
＞3年
除了“夸父计划”，我国还有没有更宏大的计划？
还有计划对火星、金星的探测。
更宏大的计划是发射绕太阳极地轨道卫星。
绕太阳极地轨道卫星将能对太阳进行三维观测。
但这是未来的努力方向。
“夸父追日”的神话传说
据说“夸父”本是一个巨人族的名称，从世系上看，夸父族人原本是大神后土传下的子孙，住在遥远北方一座名叫“成都载天”的大山上。
他们个个都是身材高大、力大无比的巨人，耳朵上挂着两条黄蛇，手中握着两条黄蛇。
看样子很可怕，其实他们性情温顺善良，都为创造美好的生活而勤奋努力。
北方天气寒冷，冬季漫长，夏季虽暖但却很短，每天太阳从东方升起，山头的积雪还没有溶化，又匆匆从西边落下去了。
夸父族的人想，要是能把太阳追回来，让它永久高悬在成都载天的上空，不断地给大地光和热，那该多好啊！
于是他们从本族中推选出一名英雄，去追赶太阳，他的名字就叫“夸父”。
夸父被推选出来，心中十分高兴，他决心不辜负全族父老的希望，跟太阳赛跑，把它追回来，让寒冷的北方和江南一样温暖。
于是他跨出大步，风驰电掣般朝西方追去，转眼就是几千几万里。
他一直追到禺谷，也就是太阳落山的地方，那一轮又红又大的火球就展现在夸父的眼前，他是多么地激动、多么地兴奋，他想立刻伸出自己的一双巨臂，把太阳捉住带回去。
可是他已经奔跑了一天了，火辣辣的太阳晒得他口渴难忍，他便俯下身去喝那黄河、渭河里的水。
两条河的水顷刻间就喝干了，还是没有解渴，他就又向北方跑去，去喝北方大泽里的水，但他还没到达目的地，就在中途渴死了。
虽然夸父失败了，但他的这种精神、这种毅力一直被人们传为佳话，并且激励着许多有志之士不断进取。
太阳
太阳是太阳系的中心天体，体积是地球的130.25万倍。
银河系的一颗普通恒星。
距离地球1.5亿千米，直径约1392000千米，从地球到太阳上去步行要走3500多年,就是坐飞机，也要坐20多年。
平均密度1.409克/立方厘米，质量1.989×10^33克，表面温度5770℃，中心温度1500.84万℃。
组成太阳的物质大多是些普通的气体，其中氢约占71.3％,氦约占27％,其它元素占2％。
太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。
太阳的大气层，像地球的大气层一样，可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层，即光球、色球和日冕三层。
我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000℃。
它是不透明的，因此我们不能直接看见太阳内部的结构。
太阳的核心区域虽然很小，半径只是太阳半径的1/4，但却是太阳那巨大能量的真正源头。
太阳核心的温度极高，达1500万℃，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。
这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。
其中二十二亿分之一的能量辐射到地球，成为地球上光和热的主要来源。
太阳看起来很平静，实际上无时无刻不在发生剧烈的活动。
太阳表面和大气层中的活动现象，诸如太阳黑子、耀斑和日冕物质喷发等，会使太阳风大大增强，造成许多地球物理现象──例如极光增多、大气电离层和地磁的变化。
太阳活动和太阳风的增强还会严重干扰地球上无线电通讯及航天设备的正常工作，使卫星上的精密电子仪器遭受损害，地面电力控制网络发生混乱，甚至可能对航天飞机和空间站中宇航员的生命构成威胁。
因此，监测太阳活动和太阳风的强度，适时作出"空间气象"预报，越来越显得重要。
太阳的年龄约为46亿年，它还可以继续燃烧约50亿年。
在其存在的最后阶段，太阳中的氦将转变成重元素，太阳的体积也将开始不断膨胀，直至将地球吞没。
在经过一亿年的红巨星阶段后，太阳将突然坍缩成一颗白矮星--所有恒星存在的最后阶段。
再经历几万亿年，它将最终完全冷却,然后慢慢地消失在黑暗里。
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