“帕克号”太阳探测器,向着熊熊烈焰,勇敢前进

“帕克号”太阳探测器,向着熊熊烈焰,勇敢前进

太阳

太阳,太阳系的核心且唯一的恒星。庞大的身躯通过46亿年持续不断的光和热,孕育了地球的一切生命,从古代开始,太阳就拥有着至高无上的地位。人类对它的赞美和敬畏就流传于世,也始终对它充满了好奇和想象。

今天,我们知道太阳分成2大部分。光球层(通常说的太阳表面,温度约5500摄氏度)之下称为太阳内部,光球层之上称为太阳大气层。而大气层从里到外分别由色球、日冕、和太阳圈组成。

太阳圈是太阳大气层最稀薄的外缘,一直延伸到冥王星轨道之外与星际物质交界。地球还处于太阳圈之内,太阳的保护范围。而色球是包围光球层的一层恒星大气,厚度500约公里。色球层之外就是太阳大气的最外层日冕。厚度达几百万公里以上。

太阳的温度自核心的1500万摄氏度向太阳表面逐渐递减到5500摄氏度。而从接触太阳表面的色球层开始,越向外,温度却是越高,到达日冕层的温度已经达到了100万摄氏度。这种反常的增温现象仍是太阳物理学多年来未解决的最重要问题之一。目前理论推测可能是声波加热机制、激波加热机制、阿尔文波加热机制等等。

通过之前的观测,这种超高温仅仅集中在日冕的个别原子中。而这些原子广泛分布于整个日冕中,其热量总和并非高。这就为人类近距离观测太阳提供了契机。

升空!向太阳前进

2018年8月12日 美国国家航空航天局(NASA)“帕克”太阳无人探测器发射成功。

2018年10月2日 首次飞掠金星,完成第一次“引力弹弓”。

2018年10月29日 “帕克”打破了1976年“太阳神2号”创下的距太阳表面4273万的公里纪录,成为有史以来最接近太阳的人类航天器。

2018年11月5日 飞至距离太阳表面2,400万公里的首个“帕克”绕日轨道近日点。

2019年9月1日 “帕克号”第三次飞过轨道近日点。此三次以几乎相同高度2400万公里飞过近日点。

2019年12月 “帕克号”飞越金星再次实施“引力弹弓”。

2020年1月29日 “帕克”太阳探测器完成了第四次近日飞行。此时距离太阳表面约1867万公里,飞行速度超过每小时39.3万公里。(第二次弹弓加速后,轨道高度的降低了约500万公里)

由于太阳质量而造成的巨大引力,太阳表面的逃逸速度达到617.7公里/秒。“帕克”向着太阳方向飞行,随着与太阳距离的缩短,受到的引力逐渐增大。为使“帕克”拥有足够快的初始速度,能在太阳引力捕获它之前进入金星的引力范围利用金星引力再次加速,而不至于直接被引力牵引而坠落于太阳。重量646公斤的“帕克”由德尔塔IV型重型火箭发射升空

距离太阳最近的行星是水星,那为什么选择第二距离的金星做引力弹弓加速呢?因为水星太小了,质量只相当于地球的5.52%,提供不了足够的引力让探测器加速到足够的速度。而金星质量体积大小很接近地球,可以帮助探测器进行引力加速和轨道调整

“帕克号”规划服役时间6.4年。一共要进行24次环绕太阳的飞行,其中7次飞越金星都会加速来降低轨道。目前进行了2次。随着与太阳的距离越来越近,速度需要越来越快。2024年12月最后一次绕日飞行距离会减小到616万公里,约为日地距离的4%。速度将会达到每小时72万公里,200公里/秒。成为人类飞行最快的航天器。也是人类有史以来首次进入太阳日冕层的探测器。

前排左起 水星,金星,地球

如何抵御高温呢?

“帕克太阳探测器”由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计建造。面对太阳处安装了厚达12厘米的碳复合材料防热罩。防热罩最外层是白色的陶瓷涂层,可以反射绝大部分太阳光。里面是两层碳-碳复合材料夹着一层11.4厘米厚的碳泡沫。以极轻的重量达到了持久耐热的效果。可在1400摄氏度的外部环境下把探测器主体温度保持在30摄氏度。暴露在外的天线由抗高温材料铌合金制成。

NASA工作人员测试防热罩材料隔热效果

“帕克号”在被防热罩阴影区覆盖的4个角都安装了“光热传感器”。传感器温控系统内的铂电阻温度计设有自主控制软件,一旦检测到有光线照射,探测器随时调整姿态以正对太阳,用于保证温度敏感组件不过热。主体携带的仪器在太阳辐射下会很快烧毁,而太阳距离地球的距离双向来回需要17分钟,遥感操作完全不可行。这意味着探测器的自主调节能力非常灵敏迅速,具有高度智能化的姿态自动控制能力。

科学家测试了多种液体的冷却效果,发现去离子水的效果最好。而经过压缩的离子水,热容量更高。探测器的动力由太阳能电池板获得。在电池板处于打开状态位于保护罩之外时,冷却系统让去离子水从太阳能板背面流过带走热量,然后流进散热器中冷却,循环往复。

四角的光热传感器

“帕克号”在靠近椭圆形轨道的近日点接近太阳时,携带的探测仪器开始开机进行为期11.6天的工作,并近距离观察太阳,进行拍照。后期随着近日点轨道逐渐降低,外部温度变高,这一时间逐渐缩短到9.6天。在远离太阳防热罩向空间散发热量的同时,向地球传输数据。

探测器上携带的观测仪器及观测内容

1:电子,阿尔法粒子,质子调查仪(SWEAP),用于太阳风内电子、质子和氦离子的计数和特性测定。

2:宽视场广角相机(WISPR),用于对太阳日冕、太阳风和探测器周围激波进行三维拍照。

3:太阳风电磁仪(FIELDS),将对穿越太阳大气等离子体的电场和磁场、无线电辐射及激波进行直接测量,并充当一个巨型宇宙尘埃探测器。

4:太阳综合科学调查-高能粒子仪器(ISIS-EPI),由两台仪器组成,将监测太阳大气中被加速到高能状态的电子、质子和离子。

在这抵近太阳飞行的过程中,科学家打算利用探测器上的仪器更好地认识太阳超高速等离子体流形成的太阳风以及日冕的极端加热机理。以及接近太阳光球层的区域为什么尘埃不存在。也对太阳探测器轨道附近的日冕现象和结构拍照。

这项探测计划预计结束时间为2025年6月。在最后一圈绕日飞行结束后,因为距离太近,预计太阳能电池板将会被太阳风的高温粒子流击穿损坏而失去动力源。最终将与太阳融为一体。可能也有其中的粒子会被太阳风吹到地球上来,如此,他还是回家了。

在任务期间,会有大量的太阳清晰照片传回地球,这会是我们第一次在宇宙中极其清晰的看太阳的容貌,也给科学家带去珍贵的太阳信息。感谢“帕克号”的无畏