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NASA 又搞了个大计划,不仅与太阳亲密约会,还要摸摸它

图片:NASA

NASA 发射史上离太阳最近航天器「帕克号」,挑战百万度高温,不会被热化吗?

中国科普博览,我们科学家有话说

北京时间 2018 年 8 月 11 日下午 3:48,帕克探测器将被发射前往太阳。

如果一切顺利的话,这将是一段称得上漫长的旅程。

探测器会搭乘安装有上级箭体的德尔他 IV 型重型火箭升空,随后在 9 月底第一次飞掠金星,11 月初首次从 35.7 倍太阳半径之外与太阳系的中心恒星擦肩而过。

故事的高潮将在 7 年之后第 22 次近日点飞掠期间来临。

帕克将抵达目标轨道,在那里把“与星同在”(Living With a Star,简称 LWS)计划的最前哨部署到日冕之内,第一次实现与太阳接触的亘古梦想。

与此同时,地面太阳观测台站也在积极配合帕克探测器而作出相应的筹备,以图在不久的将来协同开展天地联测,并更好地解释帕克传回的数据。

  • 帕克探测器将有多么接近太阳?

这台原名“太阳探测器 +”的航天器最大的亮点是“触及太阳”,堪称即将把上古神话天马行空的幻想和当今太阳物理学家急迫的探索渴求变为现实的新时代伊卡鲁斯——从与太阳的距离来看,绝大多数已有或即将发射的太阳观测平台充其量只是混迹于太阳风中甚至是地球附近的外围分子,帕克探测器却是要扎扎实实地潜入日冕之中开展实地勘测。

帕克探测器的使命是扮演 LWS 计划中深入太阳风源头的关键角色,直溯将日冕加热、吹出太阳风的能流,并勾勒出太阳风源头处的等离子体和磁场形态,探索高能粒子加速和输运的机理。

它的最终轨道近日点距离太阳表面不到 600 万千米,这个数字只是太阳半径的不到 9 倍,已然算是太阳大气的深层领地。作为比较,哪怕太阳轨道器的近日点距离也要 7 倍于此,其他的同类卫星就更不用提了。

  • 如何保证科学仪器不被热化?靠轨道设计和保护罩

因为从地球发射后直接经过转移轨道前往太阳附近未免太过消耗燃料,所以像那些飞往金星轨道之内的前辈航天器一样,帕克也要先花费好几年的时间,多次借助金星的引力来改变飞行方向,最终将进入周期 88 天的环日轨道。

入轨后,面临的第一个挑战就是:如何适应太阳周边环境?

怎样保证探测器能够在较长时间内顺利应对太阳周边的极端环境,从而有效开展科学研究?

帕克最终的环日轨道偏心率极高,近日点距离只有不足 600 万千米,而远日点则达到了上亿千米。在一个轨道周期之内,帕克只会以每秒 200 千米的创记录高速在近日点附近停留 10 余天。

这是为了保障探测器安全而必须作出的选择——太阳附近无论是磁场还是带电粒子流均远远强于近地空间,它们极有可能导致电子设备放电或材料的辐射损伤,更且会严重干扰通信。如果帕克探测器在日冕之内的近圆轨道上运行,怕是要不了多久就会整机报废了,更要命的是还不得不冒着相当一部分科学数据无法传回地球的风险。

日冕有着百万开尔文的高温,现有任何材料都禁不起如此温度的摧残。好在这个数字看似夸张,其实不过是日冕物质运动的动力学描述,只意味着其中的粒子热运动速度极高而已。在日冕的低密度环境下,手持温度计前去测量倒是不会得到太可怕的读数。

但就算如此,距离太阳超级近也等同于阳光超级强烈。阳光本质上是一种近似黑体的辐射,不可避免地要输送热量。

根据计算,帕克探测器在抵达近日点处所承受的太阳辐射剂量是地球附近的 500 倍左右,朝向太阳一面的温度更是会上升到 1600 开尔文以上,已然接近或超过多种主流金属材料的熔点。

而为了完成使命,帕克探测器携带有 4 架仪器,分别负责日冕与日球层内区的成像、太阳周边电子 / 磁场 / 波动 / 坡印廷流 / 等离子体性质的实地观测、被太阳大气加速的高能电子 / 质子 / 重离子的计数,以及太阳风主要成分的性质测量。

为了保护这些星载设备不受损伤,它们都被安置在绝热罩之后。

这套绝热系统厚 11.43 厘米,由最先进的碳纤维强化碳素复合材料制成,可以让其阴影中的温度降到 300 开以下的日常室温水平;再配合能够自动判断环境条件、及时让探测器转向以实现防护最优化的软件系统,各系统得以免遭烈日之害。

可以说,虽然飞向太阳的幻想自古有之,虽然研究者在几十年前的太阳风发现之初就已认识到了直接探测日冕的意义和重要性,但直到近年,我们才具备了有效抵御强烈日照的技术手段,触及太阳一事也才变得指日可待。

  • 保证科学仪器不会被热化后,还有第二个难题要解决:如何供电?

我们都知道,靠太阳能电池板供电的探测器在太空中,如果晒不到太阳,绝对是很头疼的事情,但对帕克来说,晒得太厉害才是很头疼的事情。

科学仪器大可放心躲在由绝热罩构筑的安乐窝中采集数据,但太阳能电池板却不能,它们必须要时刻迎向太阳收集光线,哪怕到了近日点也不例外。

传统的航天器电池板无力应付高温强辐射的环境,所以工程师们多管齐下。

(1)参考了前往水星的信使号探测器的成功经验;

(2)专门为帕克探测器设计了独此一家别无分号的主动制冷式供电系统;

(3)考虑在轨道不同位置上,探测器与太阳的相对姿态有所不同,安装在绝热罩后方的一对电池板还采用了可开合的设计,在太阳附近向内收拢,远离太阳后打开;

(4)就连热量从电池组件向底部压板的传输方式都与众不同,特意用上了优良热传导性和绝缘性兼具的陶瓷载体和特制粘胶来保证散热。

只有一点,看上去与上述种种高大上的创新格格不入,那就是电池板制冷系统所采用的冷却剂——区区 5 升高压水。

毕竟航天器设计的总原则就是实用且尽量降低成本,说起化学性质无害又能满足目标温度范围需要、本体还不至于太重的物质,非水莫属。这种常见得不能再常见的液体当然也就获得了项目组的青睐。

关于帕克探测器太阳能电池板的设计,在此还想多扯几句。直到本文写成之时,Wikipedia仍将这套系统描述为“a dual system of solar panels”,称其分为主副两对,主电池板只在远离太阳时展开,而面积小得多的副电池板带有制冷系统,用于近日点飞掠。但这个设计实际是在差不多 10 年前提出的预研方案,最终并未被采纳。

现已建成的这架探测器只设一对电池板,每块各分为主副两区,之间以固定角度相连,其中只有翘起的副区才会在近日点附近接收阳光。Wikipedia 的相关词条是又一个将早年参考文献过分当真的典型……要知道帕克的建造也不过是近两三年的事情,在工程领域,对年代过于久远的文献绝对要慎重处理,尤其是写成于正式开工前较长时间的文档,随意引用的风险真的很大!

NASA 将发射探测器 “触摸”太阳

如果一切顺利,帕克太阳探测器将与太阳动力学观测台、范艾伦探测器以及其他太阳观测卫星一起,搭建起针对太阳的多层次监测网。

这将是人类第一次有机会从太阳活动的源头上进行采样,并真切体会与星相伴的生活,其中可能蕴涵的新知让人期待,背后所代表的勇气更是令人激赏,祝她一路顺利。

文章作者:Starfighter

视频作者:中国科普博览

视频顾问:北京大学地球与空间科学学院 何建森研究员 哈尔滨工业大学(深圳) 李会超

出品:科普中国

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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