飞越日冕人类首次探访恒星15亿美元触及太阳

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  我们当然感谢太阳,它提供了一切能量,让人类存在。但同时,我们也敬畏太阳,它偶尔的爆发,可能毁灭一切。太阳风暴来临的时候,虽然有地球磁场和大气层的保护,绝大多数情况,太阳风能被拒之门外,但总有万一发生。比如1859年9月,那一天,据说北半球的绝大部分地区都能看到极光,包括中国。那一天高能粒子风暴让整个欧洲和北美的电报系统全部瘫痪。如今,如果再有类似强度的太阳风暴来袭,后果不堪设想。
  敬畏和恐惧源于未知,我们必须更加了解太阳。2018年8月12日,美国卡纳维拉尔角,“德尔塔”4重型火箭携带一个注定载入史册的探测器升空。“帕克太阳探测器”(Parker Solar Probe)将“触及太阳”,让人类能够以最近的距离接近太阳,在严酷的高温和辐射条件首次穿过太阳大气层日冕,是第一次正式探访恒星的人造物体,能首次对太阳进行全方位探测,嗅到、尝到太阳的味道,所获数据有望“完全颠覆”以往对太阳的认知。

追星易 逐日难


  近些年,国外发射了不少太陽观测卫星,分别用于研究太阳耀斑;拍摄太阳黑子爆发时的全景三维图像;观察太阳磁场、喷发的等离子体等。与太阳观测卫星相比,太阳探测器要在距离太阳更近的地方探测太阳,所以能采集更多、更有科研价值的太阳数据。不过,一切事物都是一分为二的。
  正因为太阳探测器要飞到距离太阳比较近的地方进行探测,所以其研制和运行难度都比太阳观测卫星大许多,尤其对其防热措施、轨道设计等要求更高。
  “帕克太阳探测器”注定将经历一次“酷热之旅”。它将工作在太阳大气深处,在那里可以采集太阳风以及磁场的一手样本。预计在2018~2025年期间,它将在0.25个AU(AU是太阳到地球的平均距离,即一个天文单位,约1.5亿千米)范围内绕行太阳24圈,为此,它将承受高达1400℃的炽热以及太阳辐射的考验,其抗辐射水平需是前所未有的。当该探测器以最近距离接近太阳时,它面临的太阳强度是地球轨道上航天器所经受强度的500倍。
  为此,“帕克太阳探测器”必须有一个超强隔热的金钟罩。科学家们研制了一个直径2.4米、12厘米厚、重73千克的碳复合材料防热罩(TPS)。它像一块三明治,两块碳纤维合成板夹着11.5厘米厚的轻型碳泡沫芯组成,可承受1650℃高温,几乎可保障所有仪器的安全。
  防热罩装在“帕克太阳探测器”顶部,像把遮阳伞。其向太阳的一面被喷上特制的白色涂层,以尽可能地反射太阳的能量,为探测器的其余部分创造更温和的阴影。探测器一刻不停地在运动,如何能保持防热罩始终朝向太阳?这就用到了相对惯性空间始终定向的三轴稳定陀螺。如果探测器整体一直处于防热罩的阴影中,其温度可保持在约29℃。
  随之而来的,还有一项新挑战。我们都知道,卫星、探测器等能量来源主要依靠太阳能帆板接收太阳能。那么金钟罩要不要把太阳能帆板罩起来呢?当然不能全部罩起来了,不然设备运转的电从哪来的?但伸出去,会不会被烤化?在线等,挺急的。
  “帕克”其两个太阳电池翼,都是可收缩扩展的,并装有冷却系统。在每次接近太阳的过程中,当阳光过强时,太阳能电池翼都收缩到防热罩之内,仅有一小部分暴露在强烈阳光下,这部分依靠;令却系统来获得持久的电力供应。冷却系统由加热水箱、热管、散热器和去离子水(冷却液)、冷却液的循环泵等组成。加热水箱用于保证冷却液在发射过程中不被冻结;热管可把被加热的去离子水导入散热器,4个采用钛管制造的散热器上面的铝鳍只有0.5毫米厚,可把多余的热量扩散到太空中;冷却液是约3.7升的水。探测器要穿过冰冷的太空,极短时间内完成从冷到热的过度,很多冷却液不能在温度跨度如此之大的情况下正常工作,所以选择了水。它们起到冷却太阳电池翼的作用。由于去离子水被加压,所以其沸点超过125℃。
  “帕克太阳参测器”还具有自我保护功能。它装有多个手机一半大小的传感器,分布在防热罩阴影的边缘。如果任何一个传感器感知到阳光,便会提醒中央电脑,“帕克太阳探测器”随即调整方位,确保传感器及其他仪器的安全。

首次穿日冕


  到目前为止,对太阳的观测还要在距其很远的地方进行记录,而“帕克太阳探测器”将可以足够接近太阳。它是美国航空航天局“与日共存”项目的一部分,旨在认识太阳和地球空间环境,一该系统将直接影响人类生命和人类社会。它将比以往任何人造物体都更接近太阳表面,第一次飞入太阳外层大气层日冕所在轨道上。这是第一次正式探访恒星的地球航天器,在发射之后大约6.5年后到达距离太阳9.5倍太阳半径处(太阳半径约70万千米)对太阳进行全方位探测,获取日冕、太阳风等方面的最翔实信息,采集有关太阳的一手样本。
  目前,距离太阳最近的探测器纪录由20世纪70年代发射的“太阳神”2号探测器保持,距太阳约4343万千米。“帕克太阳探测器”将以前所未有的距离靠近太阳——距离太阳表面约600万千米,相比先前距太阳最近的探测器还要近7倍,直接进入太阳大气层,能更加清晰地看见太阳风速度从原来的亚音速达到超声速的过程,同时飞过高能太阳粒子的发源地。它88天绕太阳一圈,飞行速度达到200千米/秒,成为世界上最快速度的人造物体。此前飞行速度纪录也是“太阳神”2号保持的,在1976年4月17日,它以70千米/秒的速度绕着太阳行驶。
  进入太阳日冕,能够追踪能量和热量如何通过太阳日冕,探索加速太阳风和太阳能粒子的作用。其观测记录能回答一些长期以来困扰着天文学家的难题,有助于揭示太阳的运行机制,了解太阳与行星、地球的关系,提高人类预测太空天气的能力,改善会影响地球生命的主要天气事件,以及协助太空卫星和航天员的观测。
  由于要如此近距离的接触太阳,所以这枚探测器的技术含量相当高,造价15亿美金。人们期待飞越日冕之旅,至少能够解答三个问题:为什么太阳表面(光球层)的温度比太阳的大气层(日冕)的温度低那么多;弄清楚影响地球和太阳系的太阳风(太阳向外发出的物质流)是如何形成的,怎样获得速度;弄清楚为什么太阳有时候会释放出高能粒子。

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