帕克號的追日之路·如何「觸摸」太陽

2020-12-18 haibaraemily

2018年8月12日,由NASA帕克太陽探測器發射,這將是人類探測器最接近太陽的一次旅程。它要如何完成這一壯舉?

01如何「接觸」太陽

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。而在此之前的紀錄保持者,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。

TRACE探測器觀測到的日冕環。來源:NASA

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。

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

02地獄之旅:屠龍勇士啊帶上你的盾!

想要「觸摸」太陽,還有一個必須克服的難題就是極度高溫。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。

(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

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。

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。

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。

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