帕克號探測器發射成功:你來人間一趟,你要看看太陽

北京時間8月12日15時31分，帕克太陽探測器發射畫面。

來源：NASA TV

原計劃於北京時間2018年8月11日下午發射的NASA的帕克太陽探測器，由於現場故障導致發射延遲，最終於北京時間今天（8月12日）下午3:31在美國佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地發射成功，之後順利完成星箭分離、進入預定軌道。

之前我們介紹洞察號的時候曾經提到過，除了今年5月的洞察號火星探測器是在加州范登堡空軍基地發射的之外，NASA其他所有的深空探測器都是在卡納維拉爾角空軍基地發射的。

圖：搭載帕克號的德爾塔4重型火箭點火，由遠程相機拍攝。更多詳見：https://www.flickr.com/photos/nasahqphoto/sets/72157694237748940/

來源：NASA

第一個以在世科學家命名的探測器

這顆致力於探索太陽的大氣層、磁場和太陽風的帕克太陽號探測器以美國天體物理學家尤金·帕克（1927-）的名字命名。

這是NASA歷史上第一顆以還在世的人的名字命名的探測器[1]。

在帕克之前，大多數人都認為太陽的大氣層是靜止的。是帕克首先發現並於1958年提出太陽大氣層並不是靜止的，而是在高速運動中；日冕的超高溫會讓粒子衝破太陽的引力束縛，形成太陽風，釋放向太陽系各個角落[2]；而且太陽中發出的這些太陽風和影響彗尾運動的物質是其實同一種。

圖：尤金·帕克在1958年發表的幾篇重要論文之一。來源[3]

帕克老爺子運氣很好。當時適逢探測器時代的興起，1959-1962年期間，蘇聯的月球號系列任務、美國的水手2號等多個探測器都探測到了太陽風的存在並做了相關觀測。帕克老爺子的一部分理論很快得到了證實，他本人也因此40歲就當選了美國科學院院士。

圖：2017年5月31日，尤金·帕克與帕克太陽號探測器的模型，背後是帕克號的logo——「觸摸太陽的探測任務」。來源：Scott Olson/Getty。

在接下來的幾十年裡，人類發射了不少太陽探測器，如太陽神號、尤利西斯號、SOHO號，但轉眼60年過去了，還有一些重要的問題懸而未決，因為這些探測器離太陽還是太遠了。

例如，為什麼日冕 的溫度比太陽表面要高出上百萬攝氏度？太陽風是怎麼被加速到超音速的？……

這些問題，都需要一顆更強悍的探測器來解答。

最接近太陽的探測器

這顆探測器將以人類有史以來最接近太陽的距離對太陽進行探測：

在任務的最後三圈，帕克號最接近太陽時距太陽表面將只有約600萬公裡[4]，

這是地球到太陽平均距離（約15000萬公裡）的1/25，

水星到太陽平均距離（約5800萬公裡）的1/10。

而在此之前，最接近太陽的探測器是NASA 1976年的太陽神2號探測器，最近時距離太陽4300多萬公裡。

圖：帕克太陽號探測器的預定軌道（紅色）。改編自：JH/APL[5]

為了實現如此近距離地「接觸」太陽，帕克號探測器採用了當年項目成立時美國運載能力最強的德爾塔4重型火箭（最近被獵鷹重型火箭打破記錄）作為運載火箭。因為直接進入目標軌道所需要的能量過大，比較不現實，所以帕克號只能「曲線救國」，7次飛掠金星，藉助金星的「引力彈弓」效應實現降軌操作。

而距離太陽如此之近的帕克號，也將成為有史以來速度最快的人造物體，其最高速度將高達200千米/秒，相當於從北京到上海只要5秒。而在此之前的記錄保持者，NASA的太陽神2號探測器70千米/秒的最高速度，也將在維持了40餘年之後成為歷史。

600萬公裡，這意味著帕克號在近日點附近時最近將到達太陽的日冕，對太陽的大氣層和太陽風進行直接的觀測和採樣分析。

日冕 是太陽最外層的大氣層，在太陽本體被完全遮住的全日食階段，我們可以看到日冕的精細結構，這也是全日食中最壯觀的景象之一。

圖：日全食階段顯現出來的壯麗的日冕結構。來源：劉博洋攝影，已獲授權。

值得一提的是，這個實現「觸摸太陽」的複雜的軌道，是華裔科學家Yanping Guo設計的，而且她不僅是帕克號的軌道設計和導航項目負責人，也是2006年飛向冥王星的新視野號探測器的軌道設計者。2004年，國際天文聯合會（IAU）將28513號小行星命名為Guo，以紀念她為人類探索太陽系所做的傑出貢獻。

圖：Yanping Guo和她的團隊所設計的新視野號的軌道。來源：JHAPL/Ed Whitman

事實上，不管是帕克號、新視野號還是其他很多探測任務，都有無數的女性科學家投入其中，做出了傑出的貢獻，下次有機會我們可以專門講一講~

地獄之旅：屠龍勇士啊帶上你的盾！

炎炎夏日，三四十攝氏度的氣溫已經讓地球上的我們覺得難以忍受了，那帕克號要去往高達一兩百萬攝氏度的日冕可怎麼活啊…

慶幸的是，溫度並不等同於熱量。實際上，日冕 中的粒子分布非常稀疏，探測器實際上並不會碰到那麼多高溫的粒子。儘管這樣，探測器還是需要能夠抵禦實際高達1400攝氏度的高溫才行，為此，屠龍勇士帕克號帶上了一塊白色的盾牌（熱防護系統TPS）。

這塊凝聚了NASA黑科技的防熱盾，最外層是白色的陶瓷塗層，可以反射絕大部分來自太陽的熱，盾牌裡面是兩層碳-碳複合材料夾著一層11.4釐米厚的碳泡沫，以極輕的重量達到了高度耐熱和堅韌的保護效果，讓背後的科學儀器們可以在周圍1400攝氏度高溫的環境裡自身卻能保持在舒適的室溫下。

圖：（左）帕克號的防熱盾反射來自太陽的熱的假想圖；（右）防熱盾的實物圖。來源：NASA

圖：約翰霍普金斯大學應用物理實驗室帕克太陽探測器防熱盾項目組的首席工程師貝特西·康登在演示防熱盾中碳-碳複合材料和碳泡沫夾層的組合如何耐高溫，僅僅十幾釐米厚的隔熱材料，就可以讓另一面的手感覺不到任何熱量穿透過來。來源：NASA

但手持盾牌，就意味著你得時時刻刻讓盾牌對準敵人才行，因此帕克號必須足夠機敏和靈活。為此，帕克號在被防熱盾遮住的陰影區的每個角都安裝了「熱傳感器」，一旦傳感器檢測到這地方被太陽照到了，那麼探測器立刻就能知道大事不好，要趕緊調整姿態來正對太陽。

圖：帕克號的熱傳感器位置（白圈）。來源：NASA

此外，作為帕克號的生命之源，提供能量的太陽能板必須得到特殊保護。帕克號使用循環流動的水來冷卻太陽能電池板，具體地說，是讓水從太陽能板背面流過時被加熱，然後流進散熱器中時冷卻，循環往復。

圖：帕克號的冷卻系統的位置。修改自：JHU/APL

而且，別忘了前面那張帕克號的軌道圖。帕克號是大偏心率軌道，這意味著它並不是總是離太陽很近的。離得近的時候探測，離得遠的時候傳回數據，既勞逸結合，而且也避免了長期處於惡劣環境之中。

深入虎穴，手持利刃

面對艱險的環境，輕車簡從的帕克號只帶了四把武器（科學儀器）[6]：

FIELDS電磁力計、WISPR廣角相機、SWEAP太陽風粒子探測儀、IS?IS集成探測儀。

圖：帕克號的四把「寶劍」。改編自：JHU/APL

1、FIELDS電磁力計（加州伯克利大學太空科學實驗室設計研發）

用於測量太陽大氣層中的電磁場。

其中四根2米長的天線直接從防熱盾的四周延伸開來，可以通過調節模式來分別測量快太陽風和慢太陽風的性質——對，你沒看錯，這意味著這四根天線將和隔熱盾一起完全暴露在最高1400攝氏度的高溫下，因此它是用抗高溫材料鈮合金製成的。

另外還有一根磁力計天線（天線上栓了三個拳頭大小的磁力計），像尾巴一樣拖在帕克號身後，會完全被防熱盾保護起來。

2、WISPR廣角相機（海軍研究實驗室太陽和太陽物理分部設計研發）

WISPR相機只有鞋盒大小，用於對日冕和太陽風的大尺度結構直接拍照成像。在如此近的距離，WISPR相機有望拍到更少幹擾的日冕結構原本的樣子。同時，WISPR相機將成為把大尺度日冕結構和通過其他儀器探測到的具體物理細節聯繫在一起的橋梁。

WISPR配有兩個望遠鏡成像系統，這部分用的技術和材料完全是常規操作。望遠鏡稜鏡用的BK7玻璃，相機用的CCD傳感器，這些都已經通過驗證完全能在帕克號所處的極端環境中滿足探測需要。

圖：WISPR相機的兩個望遠鏡成像系統。來源：NASA

當然，你一定想到了，既然WISPR相機被防熱盾擋在身後了，那還能拍到什麼嗎？確實，防熱盾擋住了絕大部分太陽光，但這恰恰讓原本相對不明顯的日冕變得清晰起來了，就像是「人造日全食」似的。對此，WISPR項目的項目負責人Russell Howard表示：「天然日全食當然很好，但從數據獲取的角度來說我更喜歡我們的WISPR相機，畢竟它可以連續工作，7×24小時無休」。

圖：WISPR的兩個相機預計可以拍到的視角。來源：NASA

3、SWEAP太陽風粒子探測儀（史密松天體物理臺和加州伯克利大學太空科學實驗室聯合設計研發）

用於測量和分析太陽風中各種粒子（電子、質子、氦離子等）的數量、速度、密度、溫度等性質，讓我們更好地了解太陽風和日冕等離子體裡有什麼。

SWEAP探測儀有兩個部分，一部分叫SWEAP SPC，用於探測；另一部分叫SWEAP SPAN用於分析。

SPC其實就是一個法拉第杯，是一個用來測量帶電粒子入射強度的真空金屬杯，內部用藍寶石來隔離各個組件。為了探測從太陽發出的帶電粒子，SPC也必須暴露在防熱盾之外的1400攝氏度的高溫中。

圖：SWEAP SPC的位置（紅圈），黃圈是下面會講到的SWEAP SPAN B。改編自：JHU/APL

SWEAP SPAN在帕克號兩側各安了一個（SPAN A+和B），比SPC有更廣的視角，可以探測到更多區域，但更重要的是，SPAN可以直接對探測到的粒子根據質荷比進行分類。

圖：SWEAP SPAN A+的位置（黃圈），和SPAN B分列帕克號機身兩側。改編自：JHU/APL

位於前側的SWEAP SPC和分立兩側的SWEAP SPAN A和B，幾乎相當於是對帕克號所處空間中太陽風粒子的全方位無死角探測了。

4、IS?IS集成探測儀（普林斯頓大學、約翰霍普金斯應用物理實驗室等多個機構共同設計研發）

發音「ee-sis」，中間那個?代表太陽。IS?IS的使命是探明日冕和太陽風中各種粒子（電子、質子和離子）的生命周期，告訴我們：

這些粒子是從哪裡來的？是如何被加速的？如何從太陽運動到星際空間的？

IS?IS也有兩部分：EPI-Lo和EPI-Hi。海膽一樣的EPI-Lo的形態比較獨特，八邊形的穹頂結構裡塞了80個硬幣大小的取景器，可以說是「渾身都是眼睛」了。EPI-Hi的設計就超級簡潔了，就是三個傳感器拼在一起。

EPI-Lo和EPI-Hi分工明確，前者負責低能粒子，後者負責高能粒子，兩者分工協作可以把來自日冕和太陽風的各種能量粒子都「掃蕩」一遍，包括SWEAP太陽風粒子探測儀探測不到的那些粒子。

圖：IS?IS的兩部分。來源：NASA

7年煉獄，熱血不涼

帕克號的設計壽命只有7年，在這7年裡，它會環繞太陽24圈，一點一點靠近太陽。2025年6月14日，帕克號預計將最後一次（第24次）飛掠近日點。

在這之後，等到燃料耗盡，帕克號終究沒有辦法再保持自己的盾牌朝向太陽。也就是說，終有一天，帕克號的機身將失去盾牌的保護，被灼熱的太陽所燒化，和太陽融為一體。

或許你會不由地想到希臘神話中因為飛得太近而被太陽燒融了翅膀的伊卡洛斯，或者大劉《全頻帶阻塞幹擾》裡的萬年風雪號。

畢竟追逐太陽，是人類神話和文學作品裡永恆的話題之一。

但在那之前，帕克號會為我們，也為帕克老爺子揭開無數關於太陽的秘密。希望帕克老爺子身體健康，不僅成為世界上第一個親眼看著以自己的名字命名的探測器發射的科學家，也能和我們一起順利看到這顆探測器展開觀測，解開自己發現的謎團的一天。

讓我們在「涼爽」的地球上充滿期待吧。

2018年8月10日下午（美東時間），帕克老爺子來到發射臺等待探測器發射。來源：NASA

畢竟，

這或許是我們這一代人有生之年唯一一顆能夠如此近距離探測的恆星了。

畢竟，

你來人間一趟，你要看看太陽。

最後，漢化了NASA的一個小視頻，關於「為什麼帕克號不會在1400攝氏度的高溫被燒化」。

致謝

本文感謝知友@尞祡、鸑鷟鵷鶵、天才琪露諾以及我的同事們對本文的建議和幫助~另一方面，由於帕克號推遲了一天發射，因此在本文之前，已有多篇出色的相關科普文章發出，閱讀這些文章也給了本文很多潤物無聲的啟發，在此一併致謝。

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