美國宇航局帕克太陽探測器今日將發射升空，逼近人造物體逼近太陽的極限。它帶有了哪些科學任務，又是如何抵禦高溫的？
一場新的“夸父逐日”之旅即將開啟，打破人造物體逼近太陽的極限距離。
美國國家航空航天局(NASA)宣佈，其新一代太陽探測器“帕克”號將於美國東部時間8月11日凌晨3時33分，即北京時間8月11日15時33分發射，搭乘德爾塔四型重型火箭從佛羅里達州的卡納維拉角升空。
在為期7年的任務中，帕克號將深入一百多萬攝氏度的日冕層，最近距離太陽表面只有610萬公里，大幅度刷新紀錄。它將成為歷史上第一個穿越太陽大氣層的飛行器，讓我們首次“觸摸”太陽。
▲藝術家繪製的帕克太陽探測器假想圖（來源：Space.com）
根據計劃，帕克太陽探測器將繞太陽飛行24圈，利用金星的引力進行7次輔助加速，逐漸接近太陽，最近的軌道距離太陽表面約610萬公里，會穿過太陽大氣層的最外層——日冕。此前距離太陽最近的距離是由“太陽神2號”探測器創下的，這架1976年發射的探測器當時距離太陽表面4300萬公里，新紀錄是它的1/7。
▲太陽神2號探測器於1976年1月15日發射升空，於4月17日抵達環日軌道並對太陽展開研究，軌道距離太陽表面高度一度達到0.29個天文單位，這是一個創紀錄的數據。此外，太陽神2號還創造了令世人矚目的最大速度紀錄：252792km/h。雖已不再工作，但這兩個探測器仍然運行在環日軌道上 （圖片來自NASA）
帕克太陽探測器在最接近太陽時，速度將達到70萬公里每小時——這個速度能讓你在不到1秒的時間從北京飛到天津。帕克也成為了最快的人造物體。
（觀看視頻請打開http://mrw.so/4x5QmN）
▲NASA發佈在youtube上的動畫模擬
讓我們來看看帕克探測器的逐日之旅吧：
▲點擊看大圖
▲帕克太陽探測器全貌（圖片來自NASA）
◇◇◇
解決三大科學問題
為什麼我們要去那麼近距離地探索太陽?在NASA關於帕克太陽探測器的新聞發佈會上，科學家給出了答案。實際上，太陽遠比我們眼睛看到的複雜得多，根本不是安靜地掛在天上。太陽是一顆磁場非常活躍的恆星，它的大氣層不斷向外發出帶電粒子，甚至能遠遠地發散到冥王星軌道外，沿途影響著它們所觸碰的一切物質，也就是我們所說的太陽風(Solar Wind)。在太空中穿行的光和粒子會隨著磁場的爆發對地球的大氣層造成短暫的破壞，干擾無線通信信號，甚至破壞地面上的電網。
“太陽的能量總是流過我們的世界，”約翰霍普金斯大學帕克太陽探測器項目首席科學家Nicky Fox說，“即使太陽風是看不見的，但當它們到達地球兩極，我們能看到美麗的極光，這意味著有巨大的能量和粒子進入了大氣層。我們對太陽風形成的機制缺乏深刻理解，而這正是我們要研究的。”
當然，太陽活動不只有太陽風，那些對地球影響的情況被統稱為空間天氣，瞭解它們起源的關鍵就在於理解太陽本身。NASA戈達德飛行中心太陽物理科學部副主任Alex Young說：“我們研究太陽已經幾十年了，現在終於該行動了。”
▲只有當日全食發生時，才能看到日冕區域（圖片來自NASA）
新聞發佈會上介紹了三大科學任務。第一，幫助科學家瞭解日冕極高溫度的奧秘。太陽表面溫度約為5500℃，但日冕溫度可以高達表面溫度的數百倍，飆升到上百萬攝氏度。其實有些違背常理，“這有點像你離開了篝火，結果突然變熱了”，Fox說。太陽的熱量來自它的核心，但反而距離遠的更熱，熱量是如何在太陽大氣中移動的?
第二項任務就是研究太陽風。雖然現在科學家已經很大程度上知道了太陽風形成的原因，但仍有一點未知，也是從未觀察到的——太陽風是如何加速到超音速的?帕克探測器將直接通過該區域，並沿著粒子運動方向飛行，幫助科學家揭開這個謎團。瞭解太陽風的環境影響至關重要，因為最終人類要進入深空，必須保護我們免受傷害。
▲地球的磁場保護了大氣免遭太陽風的侵害（圖片來自NASA）
第三個主要任務是帕克上攜帶的儀器來揭示太陽高能粒子加速的機制。Young說：“太陽會爆發大量的粒子，這些粒子會達到光速的一半，會干擾電子設備，尤其是地球磁場外的衛星。”
帕克太陽探測器上帶有一系列科學儀器來回答這些問題。包括太陽風電子、α粒子和質子檢測儀;寬場成像望遠鏡，將拍下太陽日冕和內日球層的三維圖像，從而真正“看到”太陽風;電磁場磁力計將直接測量穿過太陽大氣層的等離子產生的衝擊波;太陽科學綜合測量儀，通過譜儀監測探測器周圍各種能量的粒子，研究它們來自何處，如何加速以及如何穿過星際空間。
◇◇◇
帕克不怕熱
要距離太陽如此之近，承受百萬度的高溫，帕克探測器是如何做到的?事實上這也是為何今天才能發射的原因。如今的技術才能保證太陽探索成為現實。
▲太陽周邊的溫度可以達到100萬度，科研人員要避免帕克號不被融化（圖片來自NASA）
“熱保護系統(隔熱罩)是航天器的任務成行的保障之一，它能夠讓航天器在大約室溫下運作”，約翰霍普金斯大學應用物理實驗室帕克太陽探測器項目經理Andy Driesman說。
帕克太陽探測器的熱保護系統，由兩塊碳纖維合成板中間夾著約11.5釐米厚的輕型碳泡沫芯，就像一塊碳組成的三明治。為了反射儘可能多的熱量，系統表面塗有白色陶瓷材料。雖然它的直徑長約2.4米，但由於使用輕質材料，整個熱保護系統僅為帕克太陽探測器的質量增加了約70千克。而有了這個防熱系統，探測器的另一端將會保持在30℃左右。在實驗中，這套系統承受了1650℃的高溫。
▲帕克太陽探測器的隔熱罩（圖片來自NASA）
或許你會覺得這個數字不夠大，怎麼能抵擋住日冕數百萬度的高溫?其實這背後還有一套基本的科學概念，熱量和溫度並不是一碼事。與我們直覺相反的是，高溫並不總是轉化為對物體的實際加熱。在太空中溫度可達數千度，但不會給物體帶來巨大的熱量。太陽探測項目熱防護首席工程師Betsy Congdon解釋，溫度可以衡量粒子移動的速度，而熱量則與它們傳輸的總能量有關。粒子可能快速移動(高溫)，但如果它們數量很少，就不會傳遞太多能量(低熱)。
NASA科學家Susannah Darling做了一個駭人的比喻：把手放進烤爐中能承受比放在開水裡更高的溫度，這是因為在開水中會接觸更多的粒子。儘管宇宙中存在大量粒子，但相比之下仍是真空，日冕的密度極低，沒有多少粒子會直接把熱量傳給探測器。帕克的隔熱罩只會被加熱到1400℃，而不是百萬攝氏度。
▲NASA 的實驗人員進行光測試（圖片來自NASA）
當然，為了某些科學目標的直接探測，還有儀器要待在熱保護系統外面。用於測量太陽風離子和電子流的太陽探測杯(Solar Probe Cup)就不受保護，而它由耐高溫的特殊合金(鈦鋯鉬，熔點約為2349℃)製成，芯片則由鎢製成(熔點約3422℃)。電子線路也要經受高溫考驗，研究團隊使用了藍寶石水晶管佈線，並用鈮製成電線。
在實驗中模擬了極端環境進行了測試，太陽探測杯成功地通過了測試甚至超出預期，暴露時間越長，結果越好。密歇根大學安娜堡分校SWEAP儀器的首席研究員Justin Kasper說：“我們認為輻射清除了(導致實驗誤差的)汙染物，基本上是把自己弄乾淨了。”
◇◇◇
強大的輔助系統
帕克太陽探測器上實現了三大技術突破，除了頂尖的隔熱罩，還有太陽電池陣列冷卻系統和先進的故障管理系統。太陽電池陣列冷卻系統保證了極端環境下產生電能。它的設計十分精巧，當靠近太陽時，帕克的電池陣列會收縮到隔熱罩保護範圍，只露出一小部分，以免過熱。
NASA的科學家認為這套系統十分簡單：一個加熱水箱，保證冷卻劑在發射過程中不被凍結;四個鈦管制散熱器，上面的鋁鰭只有0.5毫米厚;再加上冷卻劑的循環泵。而冷卻劑只是約3.7升的水。
▲實驗人員檢查太陽能電池陣列 （圖片來自NASA）
雖然太陽的高溫將是整個探測器面臨最大的考驗，但發射後的幾分鐘將決定它能否前往太陽，探測器要穿過冰冷的太空，極短時間內完成從冷到熱的過度，很多冷卻劑也不能在溫度跨度如此之大的情況下正常工作，所以選擇了水。
另一個至關重要的問題是探測器與地球保持通信。因為距離如此之遠，信號要8分鐘才能抵達地球，如果地面的科學家發現它出問題，再做糾正為時已晚。
▲故障管理系統上的傳感器（來源：Space.com）
所以，科學家們又在故障管理系統上進行了創新——在與地球長時間無法聯繫期間保護航天器。在隔熱罩內側邊緣裝有幾個傳感器，若它們檢測到了光，說明探測器位置不正確，科學儀器就有可能暴露在高溫處。此時系統會接收到傳感器發出的警報，探測器會自動調整位置，以確保儀器的安全。
◇◇◇
一場60年的傳奇之旅
2017年，太陽探測任務更名為帕克，這是為了紀念天體物理學家尤金·帕克(Eugene Parker，1927-)。在20世紀50年代，帕克提出了許多關於恆星釋放能量的概念。他將這種能量像瀑布一樣爆發出來稱為太陽風——整個等離子體，磁場和高能粒子構成的複雜系統。
帕克還對過熱的太陽大氣層日冕進行了理論解釋，對太陽物理學做出了傑出貢獻。NASA也是首次將任務更改為在世的科學家。Fox稱，對太陽的研究任務最初在1958年就提出了，但我們不得不等待60年才技術成熟。
▲2017年，為向天體物理學家尤金·帕克致敬，NASA的太陽探測任務更名為帕克。圖為手持帕克太陽探測器模型的帕克老先生，背後是帕克太陽探測器的徽標（圖片來自NASA）
德爾塔IV重型火箭會載著這臺汽車大小的探測器飛向深空，這是世界上最強大運載火箭之一，因為把探測器送往既定軌道要極高的能量，“到達太陽的發射能量是到達火星的55倍，是到達冥王星的兩倍，”約翰霍普金斯大學設計了軌道系統的Yanping Guo說。現在是發射的最佳時間，窗口期因為各種原因已經推遲到了8月11日。帕克最終會歷時三個月的時間抵達太陽軌道，屆時我們會得到關於太陽的全新面貌。
▲德爾塔IV重型火箭攜帶帕克升空（圖片來自NASA）
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/traveling-to-the-sun-why-won-t-parker-solar-probe-melt
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasa-prepares-to-launch-parker-solar-probe-a-mission-to-touch-the-sun
http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/
https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-instruments
https://scitechdaily.com/nasas-parker-solar-probe-prepares-to-travel-to-the-sun/
https://www.space.com/40188-parker-solar-probe-completes-final-checkouts.html
https://www.space.com/41246-parker-solar-probe-launching-next-month.html
https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-humanity-s-first-visit-to-a-sta
出品：科普中央廚房
監製：北京科技報 | 科學加客戶端
歡迎朋友圈轉發
請發郵件至[email protected]
閱讀更多權威有用的科普文章、瞭解更多精彩科技活動，請下載“科學加”客戶端。蘋果用戶可以在App store搜索“科學加”下載安裝，安卓用戶可以在應用寶、３６０手機助手、豌豆莢、華為、小米等應用市場搜索“科學加”下載安裝。
閱讀更多 科學加 的文章
