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2018年08月10日 星期五

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追日 太阳探测器“帕克” 发射窗口明日开启



  美国宇航局(NASA)斥资15亿美元打造的太阳探测器“帕克”,8月11日将开启发射窗口,展开前往太阳的酷热之旅,让科学家能以史上最近距离,观察这颗熟悉且神秘的恒星。
  据报道,“帕克”太阳探测器从佛州卡纳维拉尔角升空后,将成为第一艘穿越太阳灼热大气层、也就是“日冕”的飞行器。该飞行器将帮助人们了解日冕如何作用,将帮助科学家预测危险的太空风暴。
  “帕克”太阳探测器将24次穿越日冕,美国约翰霍普金斯大学应用物理学实验室科学家佛克斯表示,这是一趟“令人难以置信的大胆旅程”。

  寿命约七年

  太阳为地球上的生命提供光和热,但有时也带来不利影响。例如,太阳耀斑爆发时会造成短波通信中断;太阳黑子大爆发可导致卫星故障。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,对人类生存也很重要。
  目前,研究太阳的先进方法是发射太阳观测卫星和太阳探测器。日本和美国近年来发射了不少太阳观测卫星,与这些观测卫星相比,太阳探测器离太阳更近,可不受地球遮挡和大气层等的影响,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。随之而来的难题是,太阳探测器的研制和运行比观测卫星更具挑战,尤其对轨道设计、防热措施等要求更高,十分复杂。
  即将发射的“帕克”太阳探测器,大小与小型汽车相仿,其设计工作寿命约7年。“帕克”太阳探测器升空后不是立即飞往太阳,而是驶向金星的方向,目的是通过金星的引力作用改变其速度和轨道,使探测器最大限度接近太阳。在约7年的时间里,它将7次飞掠金星,绕太阳运行23圈,并逐渐接近太阳,最终到达距太阳仅约600万公里的地方进行探测(图1)。这将是人造物体第一次飞入日冕区域,并在如此近的距离探测太阳。比先前距离太阳最近的太阳神2号探测器近了7倍。

  求解两谜团

  自上世纪60年代以来,世界各国发射了许多飞行器,如苏联的宇宙号卫星,美国的太阳神号、先驱者号、旅行者号,都肩负观测太阳的使命。1990年10月6日,美国发现号航天飞机将尤利西斯号太阳探测器送入太空,把对太阳的探测活动推向一个新的阶段。
  2019年,欧洲和俄罗斯将分别发射“太阳轨道探测器”和“近太阳探测器”。前者用于理解太阳日光层的活动机制及其对太阳活动的影响; 后者用于探测太阳黑子现象及其相关效应、太阳磁极和磁场等。一系列探测器的发射,预示着人类对太阳的探测将掀起一个新高潮。
  “帕克”太阳探测器和欧洲空间局的“太阳轨道探测器”尽管技术上存在差异,但这两款探测器都将研究太阳的外部大气层——日冕(图2)。日冕的大部分行为都无法预测,科学家对其知之甚少。目前有两大疑问尚待解开:日冕的温度为什么比太阳表面的温度高很多?太阳风为何持续不断地以极高的速度喷涌而出?
  此外,这两款探测器都将研究太阳风。太阳持续不断地喷射出的充满内太阳系的、被磁化的气体,与整个太阳系的磁场、大气层甚至太阳系内天体的表面相互作用。在地球上,这种相互作用会引发极光,有时会破坏通信系统和电网。
  此前获得的数据让科学家们相信,日冕会给粒子加速,让太阳风达到令人难以置信的速度。
  “帕克”太阳探测器将在太阳风刚形成并离开日冕时捕捉太阳风,并将原始观测
  结果传回地球。

  耐热有一套

  “帕克”太阳探测器将在超过1400摄氏度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。它像一块三明治,由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摄氏度高温,几乎可保障所有仪器的安全。
  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(图3),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摄氏度,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摄氏度。
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