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速度達163公里/秒!向太陽飛奔的帕克探測器,為何沒被高溫融化?
2023/08/15

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導語

2023年6月27日,在浩瀚的太空中,一個探測器再一次完成了一個里程碑,刷新了自己的記錄。 這個NASA首次以在世人物的名字作為正式名稱的探測器,正是派克太陽探測器(也被譯作帕克太陽探測器)。

與其他知名的人造探測器不同,帕克探測器的任務并不是探索月球,也不是奔著能飛多遠而努力,帕克探測器主要的任務是探測太陽。 今年6月,帕克完成了第16次繞太陽飛行。

眾所周知,太陽是位于太陽系中心的恒星,也是太陽系的唯一一顆恒星,科學家將太陽稱作一個

「近乎完美的熱等離子體理想球體」

今年地球的平均氣溫特別高,多地氣溫都超過了40°C,就連最熱一天的記錄都被連續刷新。太陽是地球最主要的能量來源,這顆巨大的恒星,其表面溫度可以達到5778 K,也就是5505 °C。

用小小的人造探測器去探索太陽系唯一的恒星——太陽,這真的可行嗎?太陽表面溫度那麼高,它不會在靠近太陽的時候被高溫熔化嗎?

帕克太陽探測器的「法寶」

其實,人類想發射人造探測器探索太陽,這個愿望從20世紀就已經有了雛形,而帕克探測器的概念則源自20世紀90年代的 太陽軌道器構想。

一開始,科學家希望探測器可以借助木星的力量,進入繞極軌道。 這種做法不僅可以保證探測器的軌道方向垂直于太陽赤道面,從而收集太陽極區的數據。

然而,探測器如此接近太陽極區,那麼探測器將會受到 太陽輻射極端變化的影響,這會讓探測器的工作環境和要求變得困難,而且也 增加了制造成本。因此,太陽探測器的計劃在上個世紀只停留在了概念層面。

進入2011年,太陽探測器的研發迎來轉機。在重新調整了任務方向后,NASA花了 15億美元,造出了這個備受矚目的太陽探測器。

NASA用提出「太陽風」這個術語的天文物理學家尤金·帕克的名字命名探測器, 這是人類第一艘飛入太陽外日冕的航天器,也是NASA第一次用在世人物的名字作為正式名稱的探測器。可以說,從誕生之日開始,帕克探測器就走上了創造記錄的「開掛」之旅。

回到問題,帕克探測器會被太陽的高溫融化嗎?答案是,它不會。

請不要懷疑,NASA的研究人員早就把所有可能破壞帕克探測器的因素都考慮到了。

為了保證帕克探測器能平穩工作,研究人員可謂是為它量身定制了幾大法寶。

第一大法寶是太陽盾。為了探測太陽,帕克探測器必須離太陽非常近。當它出現在自己軌道上的近日點時, 帕克探測器將受到650 kW/的太陽輻射,這些太陽輻射也就是太陽散發出來的能量,包括極端的高溫和大量的輻射。

如此強的太陽輻射, 幾乎是地球軌道的475倍,為了保證帕克探測器可以安然無恙,研究人員為它打造了太陽盾。這個特殊的盾牌,使用的材料是 強化碳復合材料

這面盾牌被設計成六角形,研究人員小心地把太陽盾放置在朝向太陽的那一側, 在盾牌的保護下,帕克探測器可以承受1370 °C的高溫帕克探測器并不需要降落至太陽表面,太陽盾的存在,完全能夠保證探測器的飛行安全。

第二大法寶是光感應器和反應輪。在太陽盾的陰影處,「藏」著帕克探測器攜帶的科學儀器和系統,這些精密的儀器必須在太陽盾的陰影中才能安全運行, 一旦失去盾牌的保護,儀器將在幾十秒內就被高溫和輻射損壞

所以,帕克探測器必須學會自己保護自己,要使太陽盾一直位于探測器和太陽的中間,就必須讓探測器自己「動」起來。

研究人員為帕克探測器裝備了 4個光感應器,以及與之相匹配的反應輪。當光感應器檢測到陽光時,反應輪就會帶著太陽盾迅速移動,保護儀器始終掩藏在陰影之中。

第三大法寶是太陽電池板。既然帕克探測器是要飛向太陽的,研究人員靈機一動,想到了一個既能解決動力問題,還能保證動力來源的辦法—— 利用太陽

聽起來有點云里霧里,其實這種技術在地球上都十分常見,帕克探測器的動力來源就是 太陽能。在探測器上,研究人員設計了 太陽電池板(光伏陣列),當探測器在軌道上飛行時,就能利用太陽的輻射,為自己提供動力。

而且,為了防止太陽電池板距離太陽過近時被強大的太陽輻射燒壞, 研究人員也讓電池板能自主移動。簡單來說,當接近太陽時,電池板會「縮」進盾牌陰影里,而遠離太陽時,主光伏陣列就會「探」出來工作,既收集太陽輻射,又支持探測器飛行。

擁有了三大法寶的帕克探測器,在2018年8月12日時成功發射升空。2021年12月14日,帕克探測器已經飛越了太陽的高層大氣——日冕,對那里的粒子和磁場進行了采樣, 這是人類歷史上第一次有航天器接觸到太陽

帕克探測器的記錄冊

NASA宣布,帕克探測器穿越了1298°C的高溫和比地球上強500倍的輻射,在距離太陽核心僅12874752公里處成功穿越太陽大氣層——日冕,并朝著日冕深處進發。

這是帕克探測器創下的又一個記錄。

帕克探測器不僅是人類歷史上第一個飛入太陽日冕的探測器,同時,也是人類目前為止擁有的飛行速度最快的探測器。

人類發射探測器探索太空的歷史已經有幾十年,為什麼偏偏只有探索太陽的探測器可以飛那麼快?

2021 年 11 月 21 日帕克探測器在接近太陽時,其時速已經達到了 586864公里每小時在這一天,帕克探測器就已經成為了既是距離太陽最近的探測器,也是有史以來最快的人造物體

在這之后,帕克探測器的速度還將繼續加速,在它距離太陽表面690萬公里時,探測器的速度超過了 690000公里每小時,這個速度是光速的0.064%

帕克探測器之所以能飛得如此之快,和它的運行軌道有密不可分的關系。在進行任務時,帕克探測器多次 利用金星的重力助推,以此縮短與太陽的距離。

為了避免探測器在近日點停留的時間過長,防止巨大的太陽輻射持續對帕克探測器產生持續影響, 探測器軌道的近日點必須少,而且在經過時,速度越快越好

按照物理學的規律,在接近近日點時,處于軌道上的帕克探測器就會加速,而在遠離近日點時,速度則會下降。在多重因素,特別是金星引力的影響下,帕克探測器成了目前速度最快的人造問題,而探測器也將這項記錄,放進自己創造的諸多紀錄中。

帕克探測器的存在并不是為了創造記錄,它的任務主要有三個:

追蹤加熱日冕與加速太陽風的能量流動;確定太陽風源頭的太陽磁場有何動力學結構;確地傳輸和加速高能粒子的機制。

為了實現這些任務,研究人員為探測器搭載了4個儀器套件,目的就是 為了研究磁場、等離子體和高能粒子,并對太陽風進行成像

在2021年,帕克探測器第一次飛入日冕時,它就傳回了日冕的照片。照片顯示,日冕中上排的流線是向上移動的,下排的流線則是傾斜向下的。

到目前為止,人們只能從遠處看到日冕流,而帕克探測器的存在,不僅讓人類近距離研究日冕流成為可能,還傳回了日冕流的珍貴照片。

奇跡仍在繼續

2023年6月7日,帕克探測器的任務團隊對其進行了一次小型航向修正,而今年8月21日時,帕克探測器將第六次飛越金星。 這是帕克探測器執行主要任務期間,七次飛越金星中的第六次

這一次,帕克探測器利用金星的引力收緊了自己環繞太陽的飛行軌道,并在距離太陽表面 7242048公里的地方建立了一個未來的近日點。隨著太陽越來越活躍,這個近日點的存在,對未來研究人員學習更多的太陽物理學就顯得尤為重要。

研究人員希望,在一次又一次的飛行中, 帕克探測器可以在2025年時,到達最接近太陽的地方。到那個時候,帕克探測器將創造出更多的記錄,讓我們拭目以待。

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