太阳系新知 16 | 帕克号的太阳之吻

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在过去的数十年时间里，人类发射了许多深空探测器，对月球、火星甚至是太阳系边缘的冥王星、柯伊伯带都进行了一系列的研究，唯独没有近距离访问过太阳。是人类对太阳没有兴趣吗？当然不是，其实，早在 1958 年美国宇航局 NASA 成立之初，科学家们就把探测太阳列为必须完成的科研任务之一。但是，那么多年过去了，近距离访问太阳却成了当年清单里唯一没有实现的愿望。

2018 年，距离哥白尼提出日心说已经过去 475 年，北京时间 8 月 12 日下午 3 点 31 分，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，运载着帕克太阳探测器的的德尔塔 4 重型火箭发射成功，随后顺利完成火箭分离，脱离地球引力进入预定轨道。这颗太阳探测器预计在未来 7 年中，完成在这之前不可能完成的任务。

帕克太阳探测器将要抵达的地方是此前人类从未敢想过的地方，那是距离太阳仅为 612 万公里的地方，是水星轨道半径的十分之一，相当于 4.4 个太阳直径。我估计大多数人听到这些数字，依然没有直观的感受。我们这么打比方，假如地球飞到那个位置，我们看太阳，会发现它的视面积增大了约 600 倍。

图：原始大小

图：放大 600 倍

在这么近距离上，或许大多数人会以为太阳的高温炙烤是对探测器最大的考验。没错，对于探测器来说，高温确实是一项严峻的考验。但是比高温更可怕的却是另外一样东西，而发现这样东西的不是别人，正是用以命名探测器的尤金·帕克（Eugene Parker）。

人类历史上头一回，NASA 以在世科学家的名字作为任务的正式名称。这是尤金·帕克老爷子收到最好的 90 岁生日礼物。

1958 年，在美国芝加哥大学，帕克还是一位 30 岁出头、热爱天体物理学的研究员。他从小就喜欢静静的坐在书桌前，写写方程式，试图理解宇宙中的物理是如何工作，我们在地球上所知道的一切是如何演算出来的。那段时间，他的注意力在太阳身上，通过一个描述从太阳到太阳系边缘等离子体的流体力学方程的演算，他惊奇的发现：太阳大气层并不是静止的，而是在高速运动。太阳外部大气层，也就是日冕，它的超高温会让粒子冲破太阳的引力束缚，向太阳系各个方向释放。这种日冕膨胀的现象后来被他命名为“太阳风”。这个发现是惊人的，因为在此之前，大多数人认为太阳和地球之间空空如也，没有任何东西，也不可能有什么风可以超音速从太阳一直到地球。

这位研究员激动地把这些发现写成论文，可是接下来的事情让他非常憋屈。由于太阳风的发现与大多数人存在的认知不一样，论文的发表遭受到重重困难和极大争议。幸运的是，这位年轻人的运气非常好，他的理论在四年后就得到了证实，包括美国水手 2 号、苏联月球号等多个探测器都探测到了太阳风。

关于太阳风，我做过一出广播剧，名字叫《太阳帆》，你听完这出广播剧，会让你对太阳风有更加生动、立体的认识。

太阳风的发现让科学家们兴奋不已。在接下来的几十年里，人类发射了一系列太阳探测器，如太阳神号、SOHO 号、尤利西斯号。但如今 60 年过去了，长期折磨着太阳物理学家的两大谜团仍然悬而未决。

• 谜团一，为什么太阳的表面温度远远低于太阳的日冕？

我们都知道，太阳非常热，表面温度约为 6000 摄氏度，但日冕的温度竟然超过了 100 万摄氏度。就像你参加了一个夜间篝火晚会，在篝火旁你觉得温暖，但当你远离篝火时，温度不降反升。这个现象很奇怪，科学家们一直试图弄明白这是怎么回事。

图：日冕

• 谜团二，太阳风是如何被加速到超音速的？

太阳风的速度达到了每秒 400-500 公里。然而令人惊奇的是，在靠近太阳表面的地方，并没有任何明显的强风存在。因此可能存在一些未知因素，使太阳风获得了极高的加速度。NASA 戈达德航天飞行中心的科学家亚当·萨博（Adam Szabo）认为，我们已经发现太阳风 50 多年了，但是太阳风到达地球时就已经被改变了很多。只有通过对太阳的近距离研究，我们才能知道太阳的哪个部分为风粒子提供了能源，它们是如何加速到如此惊人的高速度。

所以啊，为了进一步解开谜团，我们需要更近距离地探测太阳。那我们有没有可能像隼鸟 2 号探测龙宫星那样，在上面撞个坑呢？你在想什么呢！太阳相当于是一个表面每秒钟爆炸千亿颗氢弹的地方。能靠近它不被烧毁就已经是飞机上拉肚子，谢天谢地了。

距离太阳越近，太阳风就越强烈，这些高能粒子会像暴雨梨花针一样撒向探测器，想要抵御太阳风的侵袭，谈何容易啊。最大的难题就是要制造一枚能抵御高温和强烈太阳风的盾牌。

为此，约翰霍普金斯大学应用物理实验室项目组向 NASA 贡献了一块白色盾牌。这块盾牌的官方叫法是热保护系统（Thermal Protection System, 简称 TPS ），直径 2.43 米，厚 11.4 厘米，它的顶部是一层反射光的氧化铝涂层，里面是两块碳板夹着一层碳/碳复合材料泡沫。

图：工程师正在安装帕克号的热保护系统——隔热罩

仅仅靠这 11.4 厘米，大概就是一本百科全书厚度的防热盾保护，盾牌背后的科学仪器就可以在周围 1400 摄氏度高温的环境里始终处于 30 摄氏度左右的室温下。

这么厉害的材料是怎么被发现的呢？有些事情，说起来就是那么凑巧。1958 年，也就是尤金·帕克发现太阳风的那年，美国钱斯沃特（Chance Vought）航空公司实验室因为一次偶然失误，获得了意外的发现。

当时，实验室正在测定碳纤维在有机基体复合材料中的含量，由于实验过程中的操作失误，有机基体没有被氧化，反而被热解，于是得到了碳基体。实验室随后惊喜的发现这种复合材料具有的特殊结构特性，也就在那时，碳/碳复合材料诞生了。科学史上有很多很多重要的发现或者发明都是源于类似的偶然失误。

图：多孔碳基体·SEM 

这种碳/碳复合材料具有低密度、高比强、高比模、低热膨胀系数等一系列优异性能，尤其在 1000 摄氏度到 2300 摄氏度区间，随着温度升高，其强度不降反升，是航空航天领域非常理想的超高温结构材料。但在最初十年，碳/碳复合材料技术发展得极为缓慢，经过了二十多年技术的更新迭代，碳/碳复合材料的研究和应用才逐渐活跃起来。八十年代初，碳/碳复合材料正式运用到了航天飞机笔锥帽和机翼前缘。

但是啊，碳/碳复合材料却有一个致命的弱点，它在高温氧化性气氛下极易发生氧化反应。实际上，碳/碳复合材料在空气中超过 370 摄氏度就会开始氧化，这极大地限制了它作为高温结构材料的应用。

后来，科学家们研发了抗氧化涂层，使碳/碳复合材料能够在更高温环境中工作。而且，由于许多深空探测任务得持续好几年甚至更长的时间，防氧化涂层体系从一开始的玻璃、金属、陶瓷等单一材质，不断更新换代到碳化硅、氮化硅、氧化铝等复合结构。复合涂层可以在 1650 摄氏度以下较长时间的保护碳/碳复合材料。

每一项重大发现创造的背后，都凝聚着一代科学家的智慧与辛劳。尽管我们有了碳/碳复合材料和复合抗氧化涂层，热保护系统 TPS 的开发还是耗费了项目组接近十年的时间。但不得不说，碳/碳复合材料的出现直接催生了近距离探测太阳这个伟大工程。

不过，有了合适的盾牌材料不代表就能制造出一颗能与太阳接吻的探测器，太空飞行所要面对的各种复杂情况层出不穷。除了盾牌，帕克号还有哪些黑科技呢？

帕克号有一套超级智能的自动姿态控制系统。怎么个超级智能法呢？

图：帕克号结构示意图

假设防热盾牌是一把伞，太阳释放的热能是从天而降的雨，为了避免被淋湿，撑伞的人必须时刻控制伞的角度。但帕克号毕竟是一颗无人探测器，通信时延有 17 分钟左右，且太阳辐射对信号传递干扰极大，这意味着帕克号必须足够智能和灵活。为此，科学家们在帕克号被盾牌遮挡的科学仪器尾部各个角落都安装了热传感器，一旦传感器检测到炽热感，那一定是防热盾没遮好，帕克号就会自动调整姿态。

为了防热，光双重保险还不够，帕克号的电池板也具有相应的冷却系统。这套系统的冷却液是水，对你没听错，是水。水从太阳能电池板背面流过时被加热，然后流进散热器时冷却，如此循环流动，能够将探测器受到的太阳辐射热量散发到太空之中。这是人类宇航器中头一次使用此项技术设备。

这颗能够与太阳接吻的探测器将成为人类有史以来最接近太阳的人造卫星。

它将在未来 7 年时间里，环绕太阳 24 圈。第一次飞越近日点发生在 2018 年 11 月 1 日，距离太阳 35.7 个太阳半径，打破太阳神 2 号于 1976 年创下的 61.4 半径的纪录。并将于 2024 年 12 月 19 日第一次近距离飞越近日点，在任务的最后几圈，最接近太阳时距离太阳表面将只有 612 万公里。

• 这段距离约为水星轨道半径的 1/10。

• 地球距离太阳最近距离的 1/21。

• 太阳半径的 9.86 倍。

假如我们把地球到太阳的距离缩短到 1 米，那么帕克号距离太阳就是 0.04 米。这差不多就已经到太阳的日冕层了。所以我才会说，帕克号是与太阳接吻。

由于如此接近太阳，帕克号探测器也将成为史上最快的人造航天器。有多快呢？

在告诉你具体数据之前，我们先聊聊帕克号的飞行轨道设计。帕克号探测器会按照精妙设计的大椭圆偏心率轨道，7 次飞掠金星，借助金星的“引力弹弓”效应调整速度。

听上去这似乎和发射空间探测器采用的普遍策略差不多。自从俄国数学家尤里·康德拉图克在 1918 年提出了“引力弹弓”的设想后，科学家便开始尝试利用行星的引力作为“跳板”实现加速，以缩短星际航行的时间。

利用引力弹弓效应加速，大多数人都不陌生，尤其是在《流浪地球》上映后，但是，可能很多人不知道，引力弹弓效应可不仅仅只能用来加速。

帕克号利用金星引力的目的不是加速，而是恰恰相反！为了防止探测器受太阳巨大引力影响、一头栽进太阳大气出不来，帕克号将利用金星引力进行类似“弯道刹车”的动作，实现减速和降轨操作。

这都是因为帕克号实在是快得惊人，预计速度最高达到 200 千米每秒，远超曾经的纪录保持者太阳神 2 号创下的 70 千米每秒。用这个速度只需要不到 3.3 分钟即可绕地球一圈了。

值得一提的是，如此复杂精妙的轨道设计方案来自一位华裔女科学家——约翰霍普金斯大学研究员郭延平博士，不仅如此，她还是 2006 年飞向冥王星的新视野号探测器的轨道设计者。实际上，在深空探测或者其他天体物理学领域，还有许许多多像郭延平博士一样的女性科学家投入其中，做出了卓越的贡献。

对于太阳物理学而言，帕克号堪称是哈勃望远镜级别的任务，是体现人类航天技术最高水准的经典科研项目之一。对我而言，帕克号更像是一名攻防有术的逐日勇士，如果说三重防热系统是帕克号防守的罗马盾牌，那么在防热系统下面那些高端大气上档次的科学仪器，则是他手中蓄势待发的四把“利剑”！

每一把“宝剑”都对应着一项重要使命。

• 太阳风粒子探测仪（SWEAP）用于收集和测量太阳风中各种粒子的方向、能量、温度、密度、速度等特性，使我们更清楚的了解太阳风里有什么。

• 太阳探测广域成像仪（WISPR）能像医学扫描仪那样，对太阳日冕、太阳风和空间周围的激波进行三维成像，而且前方遮挡的防热盾正好创建了一个人工日食，可以完美地捕捉最清晰、最壮丽的日冕结构。

• 磁力计（FIELDS）对穿越太阳大气等离子体的电场和磁场、无线电辐射、等离子体的绝对密度和电子温度进行直接测量。

• 太阳集成检测仪（ISOIS）用于检测太阳风中高能粒子的动力学机制，它将告诉我们：这些高能粒子从哪里来，如何被加速，以及如何被传播到日光层。

三重防热系统组成的金钟罩，加上四把科学仪器宝剑，组装成了帕克太阳探测器，外形像一个大花瓶，和一辆丰田汉兰达 SUV 差不多大。

图：以太阳为背景的帕克太阳探测器数字模型。来源：维基百科

2018 年 8 月，帕克号成功发射，一同随着帕克号飞向太阳的，还有一张记忆卡，里面储存着尤金·帕克的照片和论文，以及几百万人的名单。感谢帕克号，这几百万幸运儿实现了“想飞上天，和太阳肩并肩”的愿望了。

帕克号的任务寿命只有 7 年。

在这 7 年中，它将环绕太阳 24 圈，一圈比一圈更接近太阳。在撰写本期文稿的时候，它已经完成了头三圈的绕日飞行，三次在近日点与太阳会面。由于通信系统的优异表现，帕克号传回了 22 千兆的科学数据，这比之前预期的要多 50% 呢。难怪任务运营负责人，尼克劳斯·平金（Nickalaus Pinkine）称赞帕克号为“出色的孩子”！

感兴趣的听众可以留意 NASA 官网，这 22 千兆的珍贵数据将于 2019 年圣诞节前公布。按计划，帕克号会在 2019 年 12 月再次实施“引力弹弓”，四度掠日时的轨道高度相比前三次大约降低 450 万公里。2025 年 6 月 14 日，帕克号预计将最后一次飞掠近日点。

在这 7 年里，帕克号将完成帕克老先生未尽的事业——解释日冕反常高温和太阳风加速现象的额外能量从哪里来。帕克号也会为人类揭开无数关于太阳的秘密，这些知识会让我们对于恒星有着更深入的认识。

正如卡西尼号坠入土星大气层、麦哲伦卫星成为金星的一部分那般，燃料耗尽后，帕克勇士将永远失去盾牌的保护。为太阳而生的帕克号，最终将成为太阳的一部分。

图：卡西尼号坠入土星大气层

《悟空传》中有段对话耐人寻味：

“大圣，此去欲何？”

“踏南天，碎凌霄。”

“若一去不回……”

“便一去不回！”

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