首个“触日”探测器开启逐日之旅

来源:北京青年报    作者:JSI    人气:    发布时间:2018-08-13    

  首个“触日”探测器开启逐日之旅
   如果一切顺利帕克探测器将于今年11月第一次抵达近日点 探测计划预计为期7年

  当地时间12日凌晨,美国国家航空航天局的“帕克太阳探测器”,在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。这个“汽车大小”的无人探测器耗资15亿美元,以美国天体物理学家尤金·帕克的姓氏命名。据报道,“帕克太阳探测器”能够比其他探测器更靠近太阳,将帮助人们更多了解太阳日冕层、太阳风等。

  此前,“帕克太阳探测器”原定于当地时间11日凌晨发射。但在距离发射只剩1分55秒时,因火箭氦气装置发出红色警报,发射被迫推迟。

  有史以来飞得最快的航天器美国“帕克”太阳探测器12日升空,正式开启人类历史上首次穿越日冕“触摸”太阳的逐日之旅,这也将成为迄今最“热”的太空探测任务。该探测计划预计于2025年6月结束,为期7年。

  美国东部时间12日3时31分(北京时间12日15时31分),“德尔塔4”重型运载火箭从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地腾空而起,搭载着小汽车大小、重约635千克的探测器直入云霄。美国航天局说,“帕克”将在未来7年内环绕太阳飞行24圈,并在金星引力的帮助下调整轨道逐渐逼近太阳,最终抵达距离太阳表面约610万千米的地方,成为有史以来最靠近太阳的航天器。人类此前距离太阳最近的一次飞行任务由德美两国研制的“太阳神2号”探测器于1976年完成,当时距离太阳表面约4300万千米。

  “帕克”外部采用厚度约11.4厘米的碳复合材料防热罩,可抵御近1400摄氏度的高温,使探测器内部在保持约30摄氏度的环境下正常工作。当飞抵最接近太阳的地方时,它的飞行速度将高达每小时70万千米,成为史上飞得最快的人造物体。按这种速度,只要一分钟就能从华盛顿飞到北京。

  “帕克”探测器以91岁高龄的尤金·帕克的名字命名,这位美国物理学家曾于1958年预测了太阳风的存在,这也是美国航天局首次以还在世的科学家命名探测项目。探测器内还搭载了一枚微芯片,记录有从全球征集的超过110万人的姓名,它们将与科学仪器一道飞向太阳系的中心。

  如果一切顺利,探测器将于今年11月第一次抵达近日点,并从12月开始传回相关数据。“太阳日冕是太阳系中最后一批尚未有航天器造访过的地方之一,”“帕克”探测器项目科学家亚当·绍博在一份声明中说,“它给我一种探险家的兴奋感。”

  关注一

  帕克探测器为何不怕热?

  帕克探测器在太阳附近工作时,承受的太阳辐射约是地球附近的500倍。距离太阳如此之近,承受百万度的高温,探测器是如何做到的?

  “热保护系统(隔热罩)是航天器的任务成行的保障之一,它能够让航天器在大约室温下运作”,约翰霍普金斯大学应用物理实验室帕克太阳探测器项目经理Andy Driesman说。

  据了解,帕克太阳探测器的热保护系统,由两块碳纤维合成板中间夹着轻型碳泡沫芯,就像一块碳组成的三明治。为了反射尽可能多的热量,系统表面涂有白色陶瓷材料。虽然它的直径长约2.4米,但由于使用轻质材料,整个热保护系统仅为帕克太阳探测器的质量增加了约70千克。而有了这个防热系统,探测器的另一端将会保持在30℃左右。在实验中,这套系统承受了1650℃的高温。

  这个数字怎么能抵挡住日冕数百万度的高温?其实这背后还有一套基本的科学概念,热量和温度并不是一码事。与我们直觉相反的是,高温并不总是转化为对物体的实际加热。在太空中温度可达数千度,但不会给物体带来巨大的热量。太阳探测项目热防护首席工程师Betsy Congdon解释,温度可以衡量粒子移动的速度,而热量则与它们传输的总能量有关。粒子可能快速移动(高温),但如果它们数量很少,就不会传递太多能量(低热)。

  NASA科学家Susannah Darling做了一个骇人的比喻:把手放进烤炉中能承受比放在开水里更高的温度,这是因为在开水中会接触更多的粒子。尽管宇宙中存在大量粒子,但相比之下仍是真空,日冕的密度极低,没有多少粒子会直接把热量传给探测器。帕克的隔热罩只会被加热到1400℃,而不是百万摄氏度。

  当然,为了某些科学目标的直接探测,还有仪器要待在热保护系统外面。用于测量太阳风离子和电子流的太阳探测杯(Solar Probe Cup)就不受保护,而它由耐高温的特殊合金(钛锆钼,熔点约为2349℃)制成,芯片则由钨制成(熔点约3422℃)。电子线路也要经受高温考验,研究团队使用了蓝宝石水晶管布线,并用铌制成电线。

  在实验中模拟了极端环境进行了测试,太阳探测杯成功地通过了测试甚至超出预期,暴露时间越长,结果越好。密歇根大学安娜堡分校SWEAP仪器的首席研究员Justin Kasper说:“我们认为辐射清除了(导致实验误差的)污染物,基本上是把自己弄干净了。”

  另据报道,日冕中的太阳风的温度虽然高达数百万度,但由于太阳风的密度极低,不会对探测器的正常工作造成影响。

  关注二

  帕克探测器如何与地球保持通信?

  帕克太阳探测器上实现了三大技术突破,除了顶尖的隔热罩,还有太阳电池阵列冷却系统和先进的故障管理系统。太阳电池阵列冷却系统保证了极端环境下产生电能。它的设计十分精巧,当靠近太阳时,帕克的电池阵列会收缩到隔热罩保护范围,只露出一小部分,以免过热。

  NASA的科学家认为这套系统十分简单:一个加热水箱,保证冷却剂在发射过程中不被冻结;四个钛管制散热器,上面的铝鳍只有0.5毫米厚;再加上冷却剂的循环泵。而冷却剂只是约3.7升的水。

  虽然太阳的高温将是整个探测器面临最大的考验,但发射后的几分钟将决定它能否前往太阳,探测器要穿过冰冷的太空,极短时间内完成从冷到热的过度,很多冷却剂也不能在温度跨度如此之大的情况下正常工作,所以选择了水。

  另一个至关重要的问题是探测器与地球保持通信。因为距离如此之远,信号要8分钟才能抵达地球,如果地面的科学家发现它出问题,再做纠正为时已晚。

  所以,科学家们又在故障管理系统上进行了创新——在与地球长时间无法联系期间保护航天器。在隔热罩内侧边缘装有几个传感器,若它们检测到了光,说明探测器位置不正确,科学仪器就有可能暴露在高温处。此时系统会接收到传感器发出的警报,探测器会自动调整位置,以确保仪器的安全。

  关注三

  帕克探测器带着什么使命去探索太阳?

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责任编辑:JSI