能“触及太阳”的“帕克太阳探测器”升空

在经历了因火箭异常而推迟1天发射之后，2018年8月12日北京时间下午03：31，美国终于从卡纳维拉尔角空军基地第37号航天发射台用德尔他四号重型运载火箭成功发射了举世瞩目的“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe）。

德尔他四号重型运载火箭是美国现役并已执行任务的最大型运载火箭，这种火箭可以将最多28.79吨的有效载荷送入近地轨道，将11吨有效载荷送入地球同步轨道，将11吨重有效载荷送上月球，将8.8吨有效载荷送入火星轨道。每枚造价约4亿美元。

该太阳探测器的最大亮点是能“触及太阳”，让人类能够以最近的距离观察太阳。它将前所未有的接近太阳，在严酷的高温和辐射条件首次穿过太阳大气层日冕，是第一次正式探访恒星的人造物体，能首次对太阳进行全方位探测，嗅到、尝到太阳的味道，所获数据有望“完全颠覆”以往对太阳的认知。整个项目耗资15亿美元。由此，将掀起探测太阳的新高潮。

（1）距离太阳最近的探测器

2018年8月11日发射的美国“帕克太阳探测器”原来叫“太阳探测器+”（Solar Probe Plus），2017年5月31日改用以太阳风科学的先驱——芝加哥大学的帕克教授命名。这是因为美国科学家帕克在1958年就预言了太阳风的存在并提出了相关理论，这项预测几年后便得到了太阳探测器所获资料的证实。为了向帕克教授致敬，美国航空航天局第一次以健在人物命名航天器，可见帕克的伟大。

“帕克太阳探测器”将比以往任何人造物体都更接近太阳表面，第一次穿过太阳外层大气层日冕，能在地球距离太阳最近距离的1/21，即距离太阳表面大约9个太阳半径（太阳半径约70万千米）的地方对太阳进行全方位探测，获取日冕、太阳风等方面的最翔实信息，所以具有革命性的意义。

它将以前所未有的距离靠近太阳，距离太阳表面约600万千米，这仅为地球到太阳距离的1/25，所以能更加清晰的看见太阳风速度从原来的亚音速达到超音速的过程，同时飞过高能太阳粒子的发源地。它88天绕太阳一圈，探测器将以时速约69万千米速度前进，最终飞行速度达到200千米/秒，将成为世界上“移动速度最快人造物体”。

目前，距离太阳最近的探测器纪录由20世纪70年代发射的德国太阳神2号探测器保持，距太阳约4343万千米。飞行速度纪录也是它保持的，在1976年4月17日，太阳神2号以70千米/秒的速度绕着太阳行驶。所以届时“帕克太阳探测器”与太阳的距离只有太阳神2号探测器所创纪录的1/7，也是水星距太阳的1/10（水星到太阳的平均距离也有将近5800万千米）。

“帕克太阳探测器”的主要任务是追踪能量和热量如何通过太阳日冕，探索加速太阳风和太阳能粒子的作用。其探测数据能回答一些长期以来困扰着天文学家的难题，有助于揭示太阳的运行机制，了解太阳与行星、地球的关系，提高人类预测太空天气的能力，改善会影响地球生命的主要天气事件，以及协助太阳观测卫星甚至在太空工作的航天员对太阳的观测。

该太阳探测器是美国“与日共存”（LWS）计划的一部分，旨在更好地探索太阳，以及它的变化对地球产生的可能后果。该计划第一个上天的航天器是“太阳动力学观测台”。“帕克太阳探测器”上还放置了一枚芯片，上面有参与公众的名字，在今年夏天将随着探测器一同送至离太阳最近的地方。

（2）五大任务和三大问题

“帕克太阳探测器”将探索太阳附近尘埃等离子体，以及其对太阳风和高能粒子形成的影响；跟踪监测日冕加热和太阳风加速的能量流；确定快慢太阳风源区的磁场结构和动力学特征以及太阳高能粒子的加速和输运机制。

美国航空航天局为“帕克太阳探测器”选定了五项研究任务：①研究太阳风电子、α粒子和质子。它将探测太阳风中数量最大的粒子（电子、质子和氦离子），并检验它们的性质；捕获某些粒子，在特殊的实验杯里进行直接分析。②开展场域实验。它将研究将直接测量电磁场、电波辐射和通过太阳大气等离子层过程中的震动波；也将作为一个巨大的尘埃探测器，在空间灰尘冲击航天器天线时，记录下电压特征。③拍摄广域图像。它将在完成任务的过程中，拍摄接近和经探测器的太阳风和震动的三维图像以及太阳大气层或日冕的三维图像。④探究太阳风层起源及其他任务。⑤进行太阳综合科学调查。该研究由两套设备组成，一套是用物质光谱仪查清太阳大气的组成元素，另一套是测量探测器附近的粒子质量并分类。

科学家试图通过“帕克太阳探测器”回答以下三大问题：

一是通过追踪促使日冕和太阳风升温和加速的能量流，想弄清楚为什么太阳表面（光球层）的温度比太阳的大气层（日冕）的温度低很多。

二是通过确定作为太阳风能量来源的等离子体和磁场的结构和动态，想弄清楚影响地球和太阳系的太阳风（太阳向外发出的物质流）是如何形成的，怎样获得速度。

三是通过探索高能粒子的加速和运输机制，想弄清楚为什么太阳有时候会释放出高能粒子，这些所谓的太阳高能粒子对于无保护的航天员和航天器来说是一个威胁。

由于能近距离探测太阳，大小与小型轿车相仿的“帕克太阳探测器”能使科学家能更好地认识、表征和预报辐射环境，对从未有其它探测器涉足的一个区域进行探测，以便在未来的太空探索中更好地理解、描绘并预测辐射环境。

（3）形形色色的探测设备

“帕克太阳探测器”质量约612千克，主结构为六角形平台结构。其通信系统采用X/Ka频段，当探测器远离太阳时（超过0.25AU，AU是太阳到地球的平均距离，即一个天文单位，约1.5亿千米），数据下行采用高增益天线；当探测器与太阳相遇期间，采用低增益天线提供低速指令上行和“健康和状态”下行。

它将采用原位测量和成像的方式来探测日冕和太阳风等，为此携带了四种科学仪器，其中三种是原位探测仪器，还有一种遥感仪器。它们用于探测遇到的等离子体、磁场和波、高能粒子和尘埃，对日冕测量与取样，了解日冕如何活动，以可帮助科学家预测危险的太阳风暴。

重点探测太阳风的有两种，分别用于测量太阳风，包括测量各种粒子的痕迹，以及质子，电子，少量离子化的氦，以及较重的元素；捕获最高能量的粒子。

其中的太阳综合科学研究仪器（Integrated Science Investigation of the Sun，ISIS）是利用2台质谱仪对探测器附近周围各种能量的粒子，研究它们来自何处，如何加速以及如何穿过星际空间，从而建立太阳大气层粒子元素清单，揭开太阳风被加速的谜团。

另一种是太阳风电子/α粒子/质子科学仪器（SWEAPI）。它用于对太阳风中最丰富的粒子（电子、质子和氦离子）进行计数并测量它们的特性，并将粒子捕获到法拉利杯（能够承受极端电磁辐射的干扰，测量太阳释放的带电粒子进行速度和方向，放置在探测器的防热罩外侧）中进行原位分析。

第三种是粒子及太阳电磁场监测设备（FIELDS）。它用于直接测量穿过太阳大气层的等离子产生的冲击波，对太阳大气中的电场和磁场进行探测，帮助科学家们了解其如何与组成太阳的等离子体物质，以及太阳风之间发生相互作用，也可作为尘埃探测仪，记录空间尘埃粒子撞击天线时的电压信号。

这三种原位探测仪器用于探测“帕克太阳探测器”周边环境的一些仪器。它们将研究太阳的磁场、等离子体和高能粒子，揭示太阳外层大气的真实结构，帮助人类理解为什么日冕的温度比太阳表面高很多，使科学家掌握要破解日冕加热和太阳风加速的物理成因需要具备什么知识，知道些什么。

第四种是宽视场成像仪（WFI）。它用于拍摄沿途飞过区域的图像，对日冕和内日球层进行三维成像，这将帮助科学家们对其他设备获得的数据进行图像校准，并对一些现象，比如耀斑爆发等进行监测，在太阳风接近和通过探测器时提供云和冲击的三维图像，等等。

其上的太阳综合科学研究仪器是利用2台质谱仪对探测器附近的离子进行称重和分类，从而建立太阳大气层粒子元素清单；粒子及场试验仪用于测量太阳电场、磁场、射电辐射和太阳大气中离子体造成的冲击波，该装置也可作为尘埃探测仪，记录空间尘埃粒子撞击天线时的电压信号；太阳风电子/α粒子/质子科学仪器用于对太阳风中最丰富的粒子（电子、质子和氦离子）进行计数并测量它们的特性，并将粒子捕获到法拉利杯（能够承受极端电磁辐射的干扰，测量太阳释放的带电粒子进行速度和方向，放置在探测器的防热罩外侧）中进行原位分析；宽视场成像仪用于对日冕或太阳大气进行三维成像；在太阳风接近和通过航天器时提供云和冲击的三维图像，等等。

这是该太阳探测器上唯一的遥感仪器，即白光半球成像仪，在“帕克太阳探测器”高速穿过太阳波时进行三维成像，从2.2~20个太阳半径处，提供了日冕中密度和尘埃的全球范围内和准现场测量。这是一台能拍摄日冕三维图像的望远镜，类似于医用CT扫描设备，不过它所用的日冕断层摄影技术是一项全新的太阳成像技术，这是因为拍摄地是靠近太阳的移动平台，在冕云与冕流中边飞行边拍照，可以捕捉等离子体在离开日冕时的特写图像。

它们有望解决关于太阳的多个谜题，但最主要的还是日冕之谜和太阳风之谜。为此，“帕克太阳探测器”将穿入日冕内部来探个究竟。

“帕克太阳探测器”能在太阳周期的多个不同阶段对日冕和太阳风进行采样，并保证能在探测即将结束时经历多次太阳暴。据推测，在太阳风暴所产生的最危险粒子中有许多是从日冕内获得能量，而这里正是“帕克太阳探测器”所处的地方，因此有可能观测到太阳高能粒子事件的发生过程，并使研究人员掌握如何预报威胁航天员健康和安全的太阳高能粒子事件的技术。

该探测器能近距离观测到耀斑、日冕物质抛射，以及激波，有助于研究和证实高能粒子加速机制，对太阳爆发活动的研究也具有重要的意义；可追踪加热和加速太阳日冕和太阳风的能量流动，研究太阳风源的等离子体和磁场的结构和动力学特征，探索高能粒子的加速和运动机制。虽然当前科学家认为耀斑和激波是高能粒子加速的主要机制，但在1AU处的观测却无法证实这一点。

（4）防热技术是探日关键

这是一次“酷热之旅”。发射升空后，“帕克太阳探测器”将工作在太阳大气深处，将承受前所未有的高温以及太阳辐射的考验。当该探测器最近距离接近太阳时，它面临的太阳强度是地球轨道上航天器所经受强度的500倍。因此，“帕克太阳探测器”的关键技术是在飞近太阳的过程中，打造出抵御来自太阳的超过1400°C的高温和强辐射流的防热罩。

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。

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更温和的阴影。由于采用三轴稳定方式，所以能保持探测器的太阳防热罩始终朝向太阳，可使探测器整体一直处于防热罩的阴影中，免受太阳巨大高温的辐照加热，探测器整体温度将保持在约29°C。

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。

其两个太阳电池翼可以收缩扩展，并装有冷却系统。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（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。

（5）借力金星逐渐靠近太阳

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，它是借助金星引力逐渐靠近太阳的。

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速度和轨道。在约7年的飞行时间里，它将7次飞掠金星，目的是通过引力跳板的作用逐渐探测缩短围绕太阳旋转的轨道半径和速度。

也就是说，该探测器每次通过金星时，都利用金星的引力来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，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。每次靠近太阳时，“帕克太阳探测器”都会采集太阳风样本，研究日冕，同时对太阳及周边区域进行前所未有的近距离观测。具体时间如下：

1）2018年9月28日，第一次飞掠金星；

2）2019年12月22日，第二次飞掠金星；

3）2020年7月6日，第三次飞掠金星；

4）2021年2月16日，第四次飞掠金星；

5）2021年10月11日，第五次飞掠金星；

6）2023年8月16日，第六次飞掠金星；

7）2024年11月2日，第七次飞掠金星。

每次飞越金星时，“帕克太阳探测器”还会利用金星的引力“刹车”，使它飞的别太快了，以防探测器受到太阳巨大引力的影响，一头栽进太阳大气出不来而被损毁。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。