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“帕克太阳探测器”不惧高温触日,它克服了多少技术难题?

2018-08-09  |  《知识就是力量》杂志 原创 收藏(43)  | 

最近,美国将发射举世瞩目的“帕克太阳探测器”,它将前所未有地接近太阳,在严酷的高温和辐射条件下首次对太阳日冕进行采样,对太阳风进行成像处理,有望揭开一些有关太阳的一些谜团。

(图:帕克太阳探测器来源:NASA官网)


太阳谜团

太阳是地球的母亲,为地球上的生命提供光和热,但也会对地球环境和人类生活带来不利影响。例如,太阳耀斑爆发所产生的大量紫外线、X射线、γ射线和高能带电粒子,能扰乱地球磁场,引起磁暴,破坏电离层,造成短波通信中断,甚至伤害地球上的生物。所以对太阳进行全方位的深入观测和探测,不仅有天体物理学上的意义,对人类的生存也很重要。

自古以来人类就不断在研究太阳,并逐渐掌握了不少有关太阳的知识。例如,太阳大气从里向外分为光球层、色球层、过渡区和日冕。但是,由于受技术水平限制,目前人类对太阳的了解还是不够深入,仍有不少太阳的未解之谜。

例如,太阳存在一种奇特现象,就是日冕的温度远远高于光球层温度,因为根据常识,离太阳表面越远时,温度应该越低,但事实却正好相反;另外,太阳风是从太阳上层大气向整个太阳系不断射出的超声速等离子体带电粒子流,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,而当太阳风抵达太阳系行星时,却变成了真正的“狂风”。这些现象一直让科学家费解。


探测难于观测

科学家总是试图用各种新技术来深入研究太阳。当今,研究太阳的最好利器就是太阳观测卫星和太阳探测器,因为它们可不受地球自转、地球与太阳的距离和地球大气层等影响,近距离对太阳开展多波段、全时域、高分辨率和高精度的观测和探测,揭示太阳活动机理,了解太阳的基本物理规律。

近些年来,国外发射了不少太阳观测卫星。例如,太阳-B卫星、“日地关系观测台”和“太阳动力学观测台”等,并且已取得了较多的科研成果。然而与太阳探测器相比,太阳观测卫星仍然先天不足——离太阳还是比较远。

(图片来源:NASA官网)

正所谓,不入虎穴,焉得虎子。探测太阳也是如此。与太阳观测卫星相比,太阳探测器要飞离地球,在距离太阳更近的地方探测它,并且不受地球遮挡以及地球辐射带影响,所以能获得更全、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,技术十分复杂,挑战巨大。


“帕克”耐热秘笈

将于8月11日升空的“帕克太阳探测器”设计工作寿命约7年。在这期间它将绕太阳运行24圈,并逐渐接近太阳,最终到达距离太阳仅约600万千米的地方进行探测。这将是太阳探测器首次飞入日冕区域,届时它与太阳的距离只有德国太阳神2号探测器所创距离太阳最近的世界纪录的1/7。

“帕克太阳探测器”将在超过1400°C的高温和强辐射流条件下直接对太阳日冕进行观测,为此,美国为“帕克太阳探测器”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°C高温,几乎可保障所有仪器的安全。

(图:帕克太阳探测器来源:NASA官网)

首先,具有遮阳伞功能的防热罩装在“帕克太阳探测器”顶部,其对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阴影。而采用三轴稳定方式,可以确保“帕克太阳探测器”的太阳防热罩能始终朝向太阳,使探测器各装置一直处于防热罩的阴影中,温度将保持在约29°C,从而免受太阳巨大高温的辐照加热。

其次,科学家在探测器内还加装了由太阳能电池驱动冷却泵等装置。它是一个包含着5公升加压水的辐射器,可像空调一样给仪器降温,使探测器上的仪器设施能够稳定在大约室温的温度范围,以研究磁场、等离子体和高能粒子,并在室温下对太阳风进行成像。

再次,其两个太阳电池翼可以收缩扩展,也装有冷却系统。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,这部分依靠冷却系统来获得持久的电力供应。冷却系统由热管、散热器和去离子水(作为冷却液)等组成,热管可把被加热的去离子水导入散热器,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°C。

“帕克太阳探测器”还具有自我保护功能。它装有多个半个手机大小的传感器,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,确保传感器及其它仪器的安全。

另外,为“帕克太阳探测器”设计的飞行轨道对其防热也有重要作用。它是借助借金星引力逐渐靠近太阳的。


7次利用金星引力变轨加速

发射后,“帕克太阳探测器”不是直飞太阳而是驶向金星,以便通过金星的引力作用改变探测器的飞行速度和方向。在约7年的飞行时间里,它将7次掠过金星,以借此逐渐缩短围绕太阳旋转的轨道半径。

“帕克太阳探测器”每次飞越金星,都会利用金星的引力使探测器的飞行速度变得更小,即利用金星引力进行减速“刹车”,使它最后以一定的速度围绕太阳飞行达到平衡,以防止探测器受太阳巨大引力的影响,一头栽进太阳大气而出不来被损毁。这与在大多数深空探测任务中,一般是利用行星引力作跳板来获取额外的能量(或速度)正好相反。

每次通过金星的引力作用,还能轻微改变探测器轨道形状,让飞行路线弯曲,从而使“帕克太阳探测器”轨道逐渐深入到太阳的大气层内。“帕克太阳探测器”将绕太阳运行24圈,并逐渐缩短与太阳的距离,最终在距离太阳表面约600万千米(处于日冕的范围之内)的位置飞行。

在7次接近太阳的过程中,“帕克太阳探测器”将用所携带了多台原位探测仪器和1台遥感仪器来探测日冕和太阳风等,预祝它取得优异的科研成果。


文/庞之浩,

中国空间科学学会空间探测专业委员会首席科学传播专家,中国卫星应用产业协会首席专家;

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1956年创刊,周恩来总理题写刊名,中国科协主管青少年综合图文科普期刊。

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