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【科友召集】
↓↓↓ 在過去的數(shù)十年時間里，人類發(fā)射了許多深空探測器，對月球、火星甚至是太陽系邊緣的冥王星、柯伊伯帶都進行了一系列的研究，唯獨沒有近距離訪問過太陽。是人類對太陽沒有興趣嗎？當(dāng)然不是，其實，早在 1958 年美國宇航局 NASA 成立之初，科學(xué)家們就把探測太陽列為必須完成的科研任務(wù)之一。但是，那么多年過去了，近距離訪問太陽卻成了當(dāng)年清單里唯一沒有實現(xiàn)的愿望。2018 年，距離哥白尼提出日心說已經(jīng)過去 475 年，北京時間 8 月 12 日下午 3 點 31 分，美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地，運載著帕克太陽探測器的的德爾塔 4 重型火箭發(fā)射成功，隨后順利完成火箭分離，脫離地球引力進入預(yù)定軌道。這顆太陽探測器預(yù)計在未來 7 年中，完成在這之前不可能完成的任務(wù)。帕克太陽探測器將要抵達的地方是此前人類從未敢想過的地方，那是距離太陽僅為 612 萬公里的地方，是水星軌道半徑的十分之一，相當(dāng)于 4.4 個太陽直徑。我估計大多數(shù)人聽到這些數(shù)字，依然沒有直觀的感受。我們這么打比方，假如地球飛到那個位置，我們看太陽，會發(fā)現(xiàn)它的視面積增大了約 600 倍。在這么近距離上，或許大多數(shù)人會以為太陽的高溫炙烤是對探測器最大的考驗。沒錯，對于探測器來說，高溫確實是一項嚴峻的考驗。但是比高溫更可怕的卻是另外一樣?xùn)|西，而發(fā)現(xiàn)這樣?xùn)|西的不是別人，正是用以命名探測器的尤金·帕克（Eugene Parker）。人類歷史上頭一回，NASA 以在世科學(xué)家的名字作為任務(wù)的正式名稱。這是尤金·帕克老爺子收到最好的 90 歲生日禮物。1958 年，在美國芝加哥大學(xué)，帕克還是一位 30 歲出頭、熱愛天體物理學(xué)的研究員。他從小就喜歡靜靜的坐在書桌前，寫寫方程式，試圖理解宇宙中的物理是如何工作，我們在地球上所知道的一切是如何演算出來的。那段時間，他的注意力在太陽身上，通過一個描述從太陽到太陽系邊緣等離子體的流體力學(xué)方程的演算，他驚奇的發(fā)現(xiàn)：太陽大氣層并不是靜止的，而是在高速運動。太陽外部大氣層，也就是日冕，它的超高溫會讓粒子沖破太陽的引力束縛，向太陽系各個方向釋放。這種日冕膨脹的現(xiàn)象后來被他命名為“太陽風(fēng)”。這個發(fā)現(xiàn)是驚人的，因為在此之前，大多數(shù)人認為太陽和地球之間空空如也，沒有任何東西，也不可能有什么風(fēng)可以超音速從太陽一直到地球。這位研究員激動地把這些發(fā)現(xiàn)寫成論文，可是接下來的事情讓他非常憋屈。由于太陽風(fēng)的發(fā)現(xiàn)與大多數(shù)人存在的認知不一樣，論文的發(fā)表遭受到重重困難和極大爭議。幸運的是，這位年輕人的運氣非常好，他的理論在四年后就得到了證實，包括美國水手 2 號、蘇聯(lián)月球號等多個探測器都探測到了太陽風(fēng)。關(guān)于太陽風(fēng)，我做過一出廣播劇，名字叫《太陽帆》，你聽完這出廣播劇，會讓你對太陽風(fēng)有更加生動、立體的認識。 太陽風(fēng)的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家們興奮不已。在接下來的幾十年里，人類發(fā)射了一系列太陽探測器，如太陽神號、SOHO 號、尤利西斯號。但如今 60 年過去了，長期折磨著太陽物理學(xué)家的兩大謎團仍然懸而未決。我們都知道，太陽非常熱，表面溫度約為 6000 攝氏度，但日冕的溫度竟然超過了 100 萬攝氏度。就像你參加了一個夜間篝火晚會，在篝火旁你覺得溫暖，但當(dāng)你遠離篝火時，溫度不降反升。這個現(xiàn)象很奇怪，科學(xué)家們一直試圖弄明白這是怎么回事。 
圖：日冕
太陽風(fēng)的速度達到了每秒 400-500 公里。然而令人驚奇的是，在靠近太陽表面的地方，并沒有任何明顯的強風(fēng)存在。因此可能存在一些未知因素，使太陽風(fēng)獲得了極高的加速度。NASA 戈達德航天飛行中心的科學(xué)家亞當(dāng)·薩博（Adam Szabo）認為，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng) 50 多年了，但是太陽風(fēng)到達地球時就已經(jīng)被改變了很多。只有通過對太陽的近距離研究，我們才能知道太陽的哪個部分為風(fēng)粒子提供了能源，它們是如何加速到如此驚人的高速度。 所以啊，為了進一步解開謎團，我們需要更近距離地探測太陽。那我們有沒有可能像隼鳥 2 號探測龍宮星那樣，在上面撞個坑呢？你在想什么呢！太陽相當(dāng)于是一個表面每秒鐘爆炸千億顆氫彈的地方。能靠近它不被燒毀就已經(jīng)是飛機上拉肚子，謝天謝地了。距離太陽越近，太陽風(fēng)就越強烈，這些高能粒子會像暴雨梨花針一樣撒向探測器，想要抵御太陽風(fēng)的侵襲，談何容易啊。最大的難題就是要制造一枚能抵御高溫和強烈太陽風(fēng)的盾牌。為此，約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室項目組向 NASA 貢獻了一塊白色盾牌。這塊盾牌的官方叫法是熱保護系統(tǒng)（Thermal Protection System, 簡稱 TPS ），直徑 2.43 米，厚 11.4 厘米，它的頂部是一層反射光的氧化鋁涂層，里面是兩塊碳板夾著一層碳/碳復(fù)合材料泡沫。
圖：工程師正在安裝帕克號的熱保護系統(tǒng)——隔熱罩 僅僅靠這 11.4 厘米，大概就是一本百科全書厚度的防熱盾保護，盾牌背后的科學(xué)儀器就可以在周圍 1400 攝氏度高溫的環(huán)境里始終處于 30 攝氏度左右的室溫下。這么厲害的材料是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？有些事情，說起來就是那么湊巧。1958 年，也就是尤金·帕克發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)的那年，美國錢斯沃特（Chance Vought）航空公司實驗室因為一次偶然失誤，獲得了意外的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，實驗室正在測定碳纖維在有機基體復(fù)合材料中的含量，由于實驗過程中的操作失誤，有機基體沒有被氧化，反而被熱解，于是得到了碳基體。實驗室隨后驚喜的發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合材料具有的特殊結(jié)構(gòu)特性，也就在那時，碳/碳復(fù)合材料誕生了。科學(xué)史上有很多很多重要的發(fā)現(xiàn)或者發(fā)明都是源于類似的偶然失誤。
圖：多孔碳基體·SEM 這種碳/碳復(fù)合材料具有低密度、高比強、高比模、低熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異性能，尤其在 1000 攝氏度到 2300 攝氏度區(qū)間，隨著溫度升高，其強度不降反升，是航空航天領(lǐng)域非常理想的超高溫結(jié)構(gòu)材料。但在最初十年，碳/碳復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展得極為緩慢，經(jīng)過了二十多年技術(shù)的更新迭代，碳/碳復(fù)合材料的研究和應(yīng)用才逐漸活躍起來。八十年代初，碳/碳復(fù)合材料正式運用到了航天飛機筆錐帽和機翼前緣。但是啊，碳/碳復(fù)合材料卻有一個致命的弱點，它在高溫氧化性氣氛下極易發(fā)生氧化反應(yīng)。實際上，碳/碳復(fù)合材料在空氣中超過 370 攝氏度就會開始氧化，這極大地限制了它作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。后來，科學(xué)家們研發(fā)了抗氧化涂層，使碳/碳復(fù)合材料能夠在更高溫環(huán)境中工作。而且，由于許多深空探測任務(wù)得持續(xù)好幾年甚至更長的時間，防氧化涂層體系從一開始的玻璃、金屬、陶瓷等單一材質(zhì)，不斷更新?lián)Q代到碳化硅、氮化硅、氧化鋁等復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合涂層可以在 1650 攝氏度以下較長時間的保護碳/碳復(fù)合材料。每一項重大發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造的背后，都凝聚著一代科學(xué)家的智慧與辛勞。盡管我們有了碳/碳復(fù)合材料和復(fù)合抗氧化涂層，熱保護系統(tǒng) TPS 的開發(fā)還是耗費了項目組接近十年的時間。但不得不說，碳/碳復(fù)合材料的出現(xiàn)直接催生了近距離探測太陽這個偉大工程。不過，有了合適的盾牌材料不代表就能制造出一顆能與太陽接吻的探測器，太空飛行所要面對的各種復(fù)雜情況層出不窮。除了盾牌，帕克號還有哪些黑科技呢？帕克號有一套超級智能的自動姿態(tài)控制系統(tǒng)。怎么個超級智能法呢？假設(shè)防熱盾牌是一把傘，太陽釋放的熱能是從天而降的雨，為了避免被淋濕，撐傘的人必須時刻控制傘的角度。但帕克號畢竟是一顆無人探測器，通信時延有 17 分鐘左右，且太陽輻射對信號傳遞干擾極大，這意味著帕克號必須足夠智能和靈活。為此，科學(xué)家們在帕克號被盾牌遮擋的科學(xué)儀器尾部各個角落都安裝了熱傳感器，一旦傳感器檢測到熾熱感，那一定是防熱盾沒遮好，帕克號就會自動調(diào)整姿態(tài)。為了防熱，光雙重保險還不夠，帕克號的電池板也具有相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的冷卻液是水，對你沒聽錯，是水。水從太陽能電池板背面流過時被加熱，然后流進散熱器時冷卻，如此循環(huán)流動，能夠?qū)⑻綔y器受到的太陽輻射熱量散發(fā)到太空之中。這是人類宇航器中頭一次使用此項技術(shù)設(shè)備。這顆能夠與太陽接吻的探測器將成為人類有史以來最接近太陽的人造衛(wèi)星。它將在未來 7 年時間里，環(huán)繞太陽 24 圈。第一次飛越近日點發(fā)生在 2018 年 11 月 1 日，距離太陽 35.7 個太陽半徑，打破太陽神 2 號于 1976 年創(chuàng)下的 61.4 半徑的紀錄。并將于 2024 年 12 月 19 日第一次近距離飛越近日點，在任務(wù)的最后幾圈，最接近太陽時距離太陽表面將只有 612 萬公里。這段距離約為水星軌道半徑的 1/10。 地球距離太陽最近距離的 1/21。 太陽半徑的 9.86 倍。
假如我們把地球到太陽的距離縮短到 1 米，那么帕克號距離太陽就是 0.04 米。這差不多就已經(jīng)到太陽的日冕層了。所以我才會說，帕克號是與太陽接吻。由于如此接近太陽，帕克號探測器也將成為史上最快的人造航天器。有多快呢？在告訴你具體數(shù)據(jù)之前，我們先聊聊帕克號的飛行軌道設(shè)計。帕克號探測器會按照精妙設(shè)計的大橢圓偏心率軌道，7 次飛掠金星，借助金星的“引力彈弓”效應(yīng)調(diào)整速度。聽上去這似乎和發(fā)射空間探測器采用的普遍策略差不多。自從俄國數(shù)學(xué)家尤里·康德拉圖克在 1918 年提出了“引力彈弓”的設(shè)想后，科學(xué)家便開始嘗試利用行星的引力作為“跳板”實現(xiàn)加速，以縮短星際航行的時間。利用引力彈弓效應(yīng)加速，大多數(shù)人都不陌生，尤其是在《流浪地球》上映后，但是，可能很多人不知道，引力彈弓效應(yīng)可不僅僅只能用來加速。帕克號利用金星引力的目的不是加速，而是恰恰相反！為了防止探測器受太陽巨大引力影響、一頭栽進太陽大氣出不來，帕克號將利用金星引力進行類似“彎道剎車”的動作，實現(xiàn)減速和降軌操作。這都是因為帕克號實在是快得驚人，預(yù)計速度最高達到 200 千米每秒，遠超曾經(jīng)的紀錄保持者太陽神 2 號創(chuàng)下的 70 千米每秒。用這個速度只需要不到 3.3 分鐘即可繞地球一圈了。值得一提的是，如此復(fù)雜精妙的軌道設(shè)計方案來自一位華裔女科學(xué)家——約翰霍普金斯大學(xué)研究員郭延平博士，不僅如此，她還是 2006 年飛向冥王星的新視野號探測器的軌道設(shè)計者。實際上，在深空探測或者其他天體物理學(xué)領(lǐng)域，還有許許多多像郭延平博士一樣的女性科學(xué)家投入其中，做出了卓越的貢獻。對于太陽物理學(xué)而言，帕克號堪稱是哈勃望遠鏡級別的任務(wù)，是體現(xiàn)人類航天技術(shù)最高水準的經(jīng)典科研項目之一。對我而言，帕克號更像是一名攻防有術(shù)的逐日勇士，如果說三重防熱系統(tǒng)是帕克號防守的羅馬盾牌，那么在防熱系統(tǒng)下面那些高端大氣上檔次的科學(xué)儀器，則是他手中蓄勢待發(fā)的四把“利劍”！三重防熱系統(tǒng)組成的金鐘罩，加上四把科學(xué)儀器寶劍，組裝成了帕克太陽探測器，外形像一個大花瓶，和一輛豐田漢蘭達 SUV 差不多大。圖：以太陽為背景的帕克太陽探測器數(shù)字模型。來源：維基百科2018 年 8 月，帕克號成功發(fā)射，一同隨著帕克號飛向太陽的，還有一張記憶卡，里面儲存著尤金·帕克的照片和論文，以及幾百萬人的名單。感謝帕克號，這幾百萬幸運兒實現(xiàn)了“想飛上天，和太陽肩并肩”的愿望了。在這 7 年中，它將環(huán)繞太陽 24 圈，一圈比一圈更接近太陽。在撰寫本期文稿的時候，它已經(jīng)完成了頭三圈的繞日飛行，三次在近日點與太陽會面。由于通信系統(tǒng)的優(yōu)異表現(xiàn)，帕克號傳回了 22 千兆的科學(xué)數(shù)據(jù)，這比之前預(yù)期的要多 50% 呢。難怪任務(wù)運營負責(zé)人，尼克勞斯·平金（Nickalaus Pinkine）稱贊帕克號為“出色的孩子”！感興趣的聽眾可以留意 NASA 官網(wǎng)，這 22 千兆的珍貴數(shù)據(jù)將于 2019 年圣誕節(jié)前公布。按計劃，帕克號會在 2019 年 12 月再次實施“引力彈弓”，四度掠日時的軌道高度相比前三次大約降低 450 萬公里。2025 年 6 月 14 日，帕克號預(yù)計將最后一次飛掠近日點。在這 7 年里，帕克號將完成帕克老先生未盡的事業(yè)——解釋日冕反常高溫和太陽風(fēng)加速現(xiàn)象的額外能量從哪里來。帕克號也會為人類揭開無數(shù)關(guān)于太陽的秘密，這些知識會讓我們對于恒星有著更深入的認識。正如卡西尼號墜入土星大氣層、麥哲倫衛(wèi)星成為金星的一部分那般，燃料耗盡后，帕克勇士將永遠失去盾牌的保護。為太陽而生的帕克號，最終將成為太陽的一部分。
圖：卡西尼號墜入土星大氣層
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