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飞越日冕人类首次探访恒星15亿美元触及太阳

2018-10-10庞之浩

航空知识 2018年10期
关键词:日冕太阳风帕克

庞之浩

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。

发射后,“帕克太阳探测器”不会立即飞往太阳而是驶向金星的方向,因为金星的引力作用会改变它的速度和轨道。在约7年的时间里,它将利用7次金星借力逐渐缩小环绕太阳的椭圆轨道,每次相遇都会利用金星的引力使探测器的飞行轨道变得更小、速度变得更快,即轻微改变探测器轨道,让飞行路线弯曲,以使其轨道能越来越深地深入到太阳的大气层内。

到了最后离太阳最近的时候,探测器将会成为人类历史上最快的飞行器。最后将到达距离太阳600万干米处。其最终轨道为近日点600万千米、远日点11000萬千米的椭圆轨道,相对于黄道面的轨道倾角为3.4°,轨道周期为88天。

完成人类首次“触摸太阳”的梦想后,最终在2025年6月以超过每小时72万千米的高速冲入太阳焚毁。

太阳的秘密

我们知道太阳大气从里向外分为光球层、色球层、过渡区和日冕。光球层温度大约为6000℃,而日冕的温度可以达到100万℃-200万℃。外层反而温度更高?这一奇特现象困扰了科学家多年。太阳外部大气层——也即日冕的温度,比太阳表面温度还要高上数百倍。这一反常的现象意味着什么,科学家至今仍未找到合理的解释。这就是所谓“日冕之谜”。困扰科学家的另一个谜团是太阳风。所谓太阳风就是太阳向整个太阳系喷射出炽热的带电粒子风。然而令人惊奇的是,在靠近太阳表面的地方,却并没有任何明显的强风存在,但当太阳风抵达太阳系行星肘,却变成了真正的“狂风”,是地球风速的上万倍。那么在太阳和行星之间究竟是什么因素使得太阳风有那么高的速度呢?

Tips

你的名字

“帕克太阳探测器”,也就是原计划的“太阳探测器+”,于2017年5月31日改名为“帕克太阳探测器”。

美国芝加哥大学教授尤金纽曼帕克生于1927年,是太阳风科学的先驱。他在1958年就预言了太阳风的存在并提出了相关理论,这项预测几年后便通过太阳探测器所获资料的证实。帕克于1967年当选为美国国家科学院院士。这是美国航空航天局第一次以健在人物命名航天器,可见帕克的伟大。

“帕克太阳探测器”上还放置了一枚存储卡。上面有113万多参与公众的名字,它将随着探测器一同送至离太阳最近的地方。

责任编辑:武瑾媛

91岁高龄的尤盒·帕克教授在发射现场。

今年5月18日,一块纪念尤金·帕克的铭牌安装到了“帕克太阳探测器”上。铭牌上写了这么一段话:“帕克太阳探测器的任务要献给专注于研究太阳和太阳风的尤金·帕克博士,他的贡献彻底改变了我们对太阳和太阳风的理解,让我们看看未来会发生什么Gene Parke r1 2017年7月。”

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