“帕克太陽探測器”將首次飛入日冕觀測太陽

張揚(yáng)眉（北京空間科技信息研究所）

2018年8月12日，美國國家航空航天局（NASA）用德爾他－4H（Delta－4H）運(yùn)載火箭從卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射了“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe）。該探測器是首個飛進(jìn)太陽日冕進(jìn)行探測的航天器，其科學(xué)目的是研究日冕和太陽風(fēng)，并對可能影響人類日常生活的空間天氣進(jìn)行預(yù)警。

1 “帕克太陽探測器”項(xiàng)目背景

早在1958年，美國國家科學(xué)院的辛普森委員會（Simpson Committee）就提出一項(xiàng)旨在探測近太陽粒子和場環(huán)境的任務(wù)。到了21世紀(jì)90年代，NASA規(guī)劃了“外行星/太陽探測器”（OPSP）計劃，該計劃最初包括3項(xiàng)任務(wù)，即“太陽探測器”（Solar Probe）、“冥王星柯伊伯快車”（Pluto Kuiper Express）和“木衛(wèi)二軌道器”（Europa Orbiter）。然而，美國前總統(tǒng)小布什在其2003財年預(yù)算申請中取消了對該計劃的投資，“外行星/太陽探測器”計劃就此擱置，但“太陽探測器”任務(wù)一直被美國國家學(xué)院和NASA認(rèn)為具有很高的科學(xué)優(yōu)先級。

2009年，NASA對“太陽探測器”之前方案的軌道和載荷設(shè)計等方面進(jìn)行了改進(jìn)，并將其改名為“太陽探測器+”（Solar Probe Plus，Solar Probe+）。2017年，NASA以著名美國天體物理學(xué)家尤金·帕克（Eugene Parker）為該探測器命名，即“帕克太陽探測器”，這是首次以在世的人的姓名來命名一個航天器。尤金·帕克于20世紀(jì)50年代提出了太陽風(fēng)理論，他認(rèn)為日冕不可能是一團(tuán)宏觀上靜止的彌散氣體，而應(yīng)該是一種向外運(yùn)動的“氣流”，即太陽風(fēng)。此外，他還預(yù)測了“帕克”螺旋的存在。尤金·帕克的理論極大地推動了科學(xué)界對于太陽的研究，他也于1967年被選為美國國家科學(xué)院院士。

“帕克太陽探測器”項(xiàng)目屬于NASA的“與日共存”（LWS）計劃。該計劃由NASA科學(xué)任務(wù)部的太陽物理學(xué)部門管理。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）對“帕克太陽探測器”項(xiàng)目進(jìn)行管理，并設(shè)計、建造和運(yùn)行該探測器。

2 “帕克太陽探測器”科學(xué)目標(biāo)

根據(jù)太陽活動的相對強(qiáng)弱，太陽可分為寧靜太陽和活動太陽兩種狀態(tài)。寧靜太陽是一個理論上假定寧靜的球?qū)ΨQ熱氣體球，其性質(zhì)只隨半徑而變，而且在任一球?qū)又卸际蔷鶆虻?，其目的在于研究太陽的總體結(jié)構(gòu)和一般性質(zhì)。在這種假定下，按照由里往外的順序，太陽是由核心、輻射層、對流層、光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰釋訕?gòu)成。光球?qū)又路Q為太陽內(nèi)部,光球?qū)又戏Q為太陽大氣。

太陽結(jié)構(gòu)圖

歷史上發(fā)射過的探測太陽的航天器

一直以來，人們通過對太陽的觀測取得兩大發(fā)現(xiàn)，第一是色球?qū)臃闯８邷噩F(xiàn)象，即色球?qū)右环刺杻?nèi)部溫度自核心向外逐層遞減的趨勢，出現(xiàn)了外層溫度比內(nèi)層溫度更高的奇怪現(xiàn)象；第二是日冕高速擴(kuò)散到太空中，形成“太陽風(fēng)”?；谥暗纳羁仗綔y器和科學(xué)衛(wèi)星取得的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)獲取了有關(guān)太陽風(fēng)的成分、屬性、結(jié)構(gòu)等方面的信息，并拍攝了色球?qū)油獠康娜彰岷瓦^渡區(qū)的高分辨率圖像等，然而仍然有兩個問題尚未解決，即日冕反常高溫現(xiàn)象和太陽風(fēng)加速機(jī)制。

“帕克太陽探測器”的主要探測目的是為跟蹤研究日冕的能量和熱量的流動機(jī)制，探索太陽風(fēng)加速的原因，并以統(tǒng)計學(xué)的方法研究太陽外層日冕。

“帕克太陽探測器”有3個具體的科學(xué)目標(biāo)：

1）跟蹤研究加熱和加速日冕及太陽風(fēng)的能量流；

2）確定太陽風(fēng)來源處的等離子體和磁場的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)特性；

3）研究加速并運(yùn)輸高能粒子的機(jī)制。

尤其是在“帕克太陽探測器”環(huán)繞太陽最后3圈的飛行過程中，將飛到距離太陽表面約9個太陽半徑處，即距離太陽6×106km處。在此之前，人類有史以來發(fā)射的距離太陽最近的探測器為“太陽神”（Helios）探測器。在距離太陽最近處，“帕克太陽探測器”將以7×105km/h（約195km/s）的飛行速度對太陽進(jìn)行觀測，該速度相當(dāng)于在1s的時間內(nèi)從美國費(fèi)城抵達(dá)華盛頓特區(qū)。

3 “帕克太陽探測器”性能與參數(shù)

“帕克太陽探測器”為六邊形棱鏡構(gòu)型，發(fā)射質(zhì)量為685kg，探測器高度3m，最大直徑2.3m，探測器平臺直徑1m。單組元肼推進(jìn)劑。采用主動冷卻太陽電池翼，太陽電池翼總面積1.55m2，在抵達(dá)太陽時的功率為388W。0.6m高增益天線，科學(xué)數(shù)據(jù)下行速率在1AU處為167kbit/s。探測器采用耐高溫碳復(fù)合材料隔熱板，厚度約11.5cm，能夠承受1377℃的熱輻射。探測器任務(wù)計劃周期為6年11個月。

“帕克太陽探測器”攜帶4種有效載荷，分別為“場實(shí)驗(yàn)裝置”（FIELDS）、“太陽綜合科學(xué)研究”（IS⊙IS）、“太陽探測器寬視場成像儀”（WISPR）、“太陽風(fēng)電子α和質(zhì)子”（SWEAP）研究裝置。

作為“帕克太陽探測器”任務(wù)的一部分，NASA還于2018年3月啟動一項(xiàng)姓名征集活動，邀請公眾參與報名，將他們的名字存入一張存儲卡中，由探測器攜帶這些名字飛向太陽。

“帕克太陽探測器”后端構(gòu)型圖

“帕克太陽探測器”前端構(gòu)型圖

“帕克太陽探測器”有效載荷

4 “帕克太陽探測器”飛行過程

“帕克太陽探測器”發(fā)射后，將在近7年時間內(nèi)進(jìn)行7次金星借力飛行，并于2024年抵達(dá)太陽附近。完成第一次金星飛越后，探測器將進(jìn)入周期150天的橢圓軌道（該周期為金星運(yùn)行周期的2/3）；第二次金星飛越后，探測器運(yùn)行周期縮短為130天；第三次金星飛越后，探測器運(yùn)行周期縮短為112.5天；第四次金星飛越后，探測器運(yùn)行周期為102天；第五次金星飛越后，探測器運(yùn)行周期為96天；第六次金星飛越后，探測器運(yùn)行周期為92天；第七次金星飛越后，探測器運(yùn)行周期變?yōu)?8～89天，進(jìn)而以該周期近距離繞太陽運(yùn)行。

飛抵太陽后，“帕克太陽探測器”將近距離飛入太陽大氣層，以7×105km/h的速度，在距離太陽表面6×106km的大橢圓軌道上環(huán)繞太陽運(yùn)行24圈。“帕克太陽探測器”將比以往任何探測器都要接近太陽，最近時距離太陽表面僅6×106km，與太陽的距離只有此前近距離繞太陽運(yùn)行的“太陽神”探測器的1/7，探測器與太陽的最近距離更是水星與太陽距離的1/10。

“帕克太陽探測器”飛行過程

“帕克太陽探測器”運(yùn)行計劃和太陽電池陣狀態(tài)

“帕克太陽探測器”發(fā)射及計劃飛行過程

5 “帕克太陽探測器”的技術(shù)特點(diǎn)

探測器采用高性能熱防護(hù)系統(tǒng)

由于將超近距離觀測太陽，“帕克太陽探測器”采用了高性能的隔熱罩，即熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）。該熱防護(hù)系統(tǒng)直徑為2.44m，由兩塊碳-碳復(fù)合板夾著11.5cm厚的輕型碳質(zhì)泡沫核心。除4副天線和1個特殊的粒子探測器外，所有儀器都處于隔熱罩的保護(hù)之下。隔熱罩本身質(zhì)量僅為72.6kg，泡沫核心的97%都充滿了空氣。隔熱罩面向太陽的一側(cè)涂有特制的白色涂層，可以反射太陽的能量，盡可能地保護(hù)探測器?！芭量颂柼綔y器”在運(yùn)行過程中遭遇的太陽輻射約為在地球軌道上遭遇輻射強(qiáng)度的520倍。該防護(hù)系統(tǒng)可以在“帕克”近距離繞太陽運(yùn)行的過程中承受高達(dá)約1377℃的高溫，從而對探測器平臺和儀器進(jìn)行有效的防護(hù)。

測試中的“帕克太陽探測器”

電源系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動冷卻技術(shù)

在電源系統(tǒng)方面，“帕克太陽探測器”攜帶了2個獨(dú)立的太陽電池陣系統(tǒng)。在日心距離較遠(yuǎn)（超過0.25AU）時，主電池陣運(yùn)行；在接近太陽時，主電池陣折疊起來置于熱防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)中，同時次電池陣啟動。次電池陣包括2個可移動的、液態(tài)冷卻的高溫電池陣。當(dāng)探測器距離太陽更近時，次電池陣部分收折起來位于熱防護(hù)系統(tǒng)后方，同時維持穩(wěn)定的溫度和電源輸出。此外，次要電源系統(tǒng)還包括一個鋰離子電池組?！芭量颂柼綔y器”的熱防護(hù)系統(tǒng)最高將承受1377℃的高溫，而探測器電源的自動冷卻系統(tǒng)能夠使得太陽電池陣的溫度保持在160℃甚至更低。該冷卻系統(tǒng)由應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室與聯(lián)合技術(shù)航天系統(tǒng)公司（UTAS，制造冷卻系統(tǒng)）、索爾航空技術(shù)公司（SolAero Technologies，制造太陽電池陣）聯(lián)合開發(fā)。該冷卻系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用了加壓水作為冷卻劑，冷卻功率為6000W。

分管NASA科學(xué)任務(wù)部的副局長托馬斯·祖步肯說：“‘帕克’將首次飛入太陽大氣層的最外層，也就是日冕進(jìn)行探測活動。借助先進(jìn)的觀測儀器和成像設(shè)備，將使我們對日冕的認(rèn)知發(fā)生革命性的變革，同時也將進(jìn)一步豐富我們有關(guān)太陽風(fēng)起源和演化的知識。在提高空間環(huán)境變化的預(yù)測能力方面，‘帕克’也將做出重大貢獻(xiàn)。太陽活動可能會影響地球上的生命和技術(shù)設(shè)備，因此對太陽活動進(jìn)行預(yù)測至關(guān)重要?！?/p>

“帕克太陽探測器”是一個肩負(fù)艱巨使命、性能卓越領(lǐng)先的深空探測器，它將首次超近距離飛進(jìn)日冕，研究日冕反常高溫現(xiàn)象以及太陽風(fēng)的能量傳輸機(jī)制，并發(fā)展對空間天氣進(jìn)行預(yù)警的能力。探測器將承受比此前任何探測器遭遇到的更為嚴(yán)酷的高溫考驗(yàn)，最終“觸摸”太陽。