「帕克太陽探測器」不懼高溫觸日，它都克服了哪些技術難題？

文/龐之浩，

中國空間科學學會空間探測專業委員會首席科學傳播專家，中國衛星應用產業協會首席專家；

本文由知識就是力量原創首發

最近，美國將發射舉世矚目的「帕克太陽探測器」，它將前所未有地接近太陽，在嚴酷的高溫和輻射條件下首次對太陽日冕進行採樣，對太陽風進行成像處理，有望揭開一些有關太陽的一些謎團。

（圖：帕克太陽探測器 來源：NASA官網）

太陽謎團

太陽是地球的母親，為地球上的生命提供光和熱，但也會對地球環境和人類生活帶來不利影響。例如，太陽耀斑爆發所產生的大量紫外線、X射線、γ射線和高能帶電粒子，能擾亂地球磁場，引起磁暴，破壞電離層，造成短波通信中斷，甚至傷害地球上的生物。所以對太陽進行全方位的深入觀測和探測，不僅有天體物理學上的意義，對人類的生存也很重要。

自古以來人類就不斷在研究太陽，並逐漸掌握了不少有關太陽的知識。例如，太陽大氣從裡向外分為光球層、色球層、過渡區和日冕。但是，由於受技術水平限制，目前人類對太陽的了解還是不夠深入，仍有不少太陽的未解之謎。

例如，太陽存在一種奇特現象，就是日冕的溫度遠遠高於光球層溫度，因為根據常識，離太陽表面越遠時，溫度應該越低，但事實卻正好相反；另外，太陽風是從太陽上層大氣向整個太陽系不斷射出的超聲速等離子體帶電粒子流，令人驚奇的是在靠近太陽表面的地方並沒有任何明顯的強風存在，而當太陽風抵達太陽系行星時，卻變成了真正的「狂風」。這些現象一直讓科學家費解。

探測難於觀測

科學家總是試圖用各種新技術來深入研究太陽。當今，研究太陽的最好利器就是太陽觀測衛星和太陽探測器，因為它們可不受地球自轉、地球與太陽的距離和地球大氣層等影響，近距離對太陽開展多波段、全時域、高解析度和高精度的觀測和探測，揭示太陽活動機理，了解太陽的基本物理規律。

近些年來，國外發射了不少太陽觀測衛星。例如，太陽-B衛星、「日地關係觀測台」和「太陽動力學觀測台」等，並且已取得了較多的科研成果。然而與太陽探測器相比，太陽觀測衛星仍然先天不足——離太陽還是比較遠。

（圖片來源：NASA官網）

正所謂，不入虎穴，焉得虎子。探測太陽也是如此。與太陽觀測衛星相比，太陽探測器要飛離地球，在距離太陽更近的地方探測它，並且不受地球遮擋以及地球輻射帶影響，所以能獲得更全、更有科研價值的太陽數據。

不過，一切事物都是一分為二的。正因為太陽探測器要飛到距離太陽比較近的地方進行探測，所以其研製和運行難度都比太陽觀測衛星大許多，尤其對其防熱措施、軌道設計等要求更高，技術十分複雜，挑戰巨大。

「帕克」耐熱秘笈

將於8月11日升空的「帕克太陽探測器」設計工作壽命約7年。在這期間它將繞太陽運行24圈，並逐漸接近太陽，最終到達距離太陽僅約600萬千米的地方進行探測。這將是太陽探測器首次飛入日冕區域，屆時它與太陽的距離只有德國太陽神2號探測器所創距離太陽最近的世界紀錄的1/7。

「帕克太陽探測器」將在超過1400°C的高溫和強輻射流條件下直接對太陽日冕進行觀測，為此，美國為「帕克太陽探測器」研製了一個直徑2.4米、12厘米厚、重73千克的碳複合材料防熱罩(TPS)。它像一塊三明治，兩塊碳纖維合成板夾著11.5厘米厚的輕型碳泡沫芯組成，可承受1650°C高溫，幾乎可保障所有儀器的安全。

（圖：帕克太陽探測器 來源：NASA官網）

首先，具有遮陽傘功能的防熱罩裝在「帕克太陽探測器」頂部，其對太陽的一面被噴上特製的白色塗層，以儘可能地反射太陽的能量，為探測器的其餘部分創造陰影。而採用三軸穩定方式，可以確保 「帕克太陽探測器」的太陽防熱罩能始終朝向太陽，使探測器各裝置一直處於防熱罩的陰影中，溫度將保持在約29°C，從而免受太陽巨大高溫的輻照加熱。

其次，科學家在探測器內還加裝了由太陽能電池驅動冷卻泵等裝置。它是一個包含著5公升加壓水的輻射器，可像空調一樣給儀器降溫，使探測器上的儀器設施能夠穩定在大約室溫的溫度範圍，以研究磁場、等離子體和高能粒子，並在室溫下對太陽風進行成像。

再次，其兩個太陽電池翼可以收縮擴展，也裝有冷卻系統。在每次接近太陽的過程中，當陽光過強時，太陽能電池翼都收縮到防熱罩之內，僅有一小部分暴露在強烈陽光下，這部分依靠冷卻系統來獲得持久的電力供應。冷卻系統由熱管、散熱器和去離子水（作為冷卻液）等組成，熱管可把被加熱的去離子水導入散熱器，起到冷卻太陽電池翼的作用。由於去離子水被加壓，所以其沸點超過125°C。

「帕克太陽探測器」還具有自我保護功能。它裝有多個半個手機大小的感測器，分布在防熱罩陰影的邊緣。如果任何一個感測器感知到陽光，便會提醒中央電腦，「帕克太陽探測器」隨即調整方位，確保感測器及其它儀器的安全。

另外，為「帕克太陽探測器」設計的飛行軌道對其防熱也有重要作用。它是藉助借金星引力逐漸靠近太陽的。

7次利用金星引力變軌加速

發射後，「帕克太陽探測器」不是直飛太陽而是駛向金星，以便通過金星的引力作用改變探測器的飛行速度和方向。在約7年的飛行時間裡，它將7次掠過金星，以藉此逐漸縮短圍繞太陽旋轉的軌道半徑。

「帕克太陽探測器」每次飛越金星，都會利用金星的引力使探測器的飛行速度變得更小，即利用金星引力進行減速「剎車」，使它最後以一定的速度圍繞太陽飛行達到平衡，以防止探測器受太陽巨大引力的影響，一頭栽進太陽大氣而出不來被損毀。這與在大多數深空探測任務中，一般是利用行星引力作跳板來獲取額外的能量（或速度）正好相反。

每次通過金星的引力作用，還能輕微改變探測器軌道形狀，讓飛行路線彎曲，從而使「帕克太陽探測器」軌道逐漸深入到太陽的大氣層內。「帕克太陽探測器」將繞太陽運行24圈，並逐漸縮短與太陽的距離，最終在距離太陽表面約600萬千米（處於日冕的範圍之內）的位置飛行。

在7次接近太陽的過程中，「帕克太陽探測器」將用所攜帶了多台原位探測儀器和1台遙感儀器來探測日冕和太陽風等，預祝它取得優異的科研成果。

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