帕克太阳探测器如何探测恒星

太阳，它的光普照大地，因为有了太阳，我们的地球才会生机勃勃，如果没有了太阳地球将陷入冷寂……太阳每天都在为我们的地球输送能量，而地球吸收的能量只是太阳释放总能量的亿分之一，没错，它太大了，能量太足了……

太阳是一颗恒星，它的表面温度可达5000摄氏度，内部温度甚至可以高达2000万摄氏度，这使得太阳成为了人类太空探索中可远观而不可“探索”的对象。实在是太热了，航天器怎么办？我们只能在地球上进行地面观测，面对太阳系的主宰，人类似乎束手无策，直到它的出现……

我们的太阳和太阳风活动

恒星追踪者，帕克太阳探测器

帕克太阳探测器是美国宇航局“直面恒星”计划的一部分。该项目由NASA/GSFC戈达德太空飞行中心管理。位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学应用物理实验室JHU/APL是该航天器的主要承包商。2010年9月，美国宇航局开始研究与开发。

直面恒星？怎么直面？人造探测器想要靠近太阳探测太阳风，太阳结构和一些高能粒子？这个探测器是怎么做到的？太阳附近极高的温度和恶劣的环境，没有足够的热保护，航天器无法生存。接近太阳非常困难，除了高温之外，要使探测器接近太阳，必须从地球轨道的速度中抵消巨大的引力速度，轨道计算也必须非常精确。除此之外，任何一个太阳探测器还需要抵挡来自太阳附近的高能粒子轰击，就好像一个人站在枪林弹雨中……

帕克太阳探测器在整流罩中，拍摄于2018年

帕克太阳探测器的任务就是分析太阳的日冕并进行采样分析，以揭示日冕是如何被太阳内部加热的，太阳风和太阳能量粒子是如何加速的，50多年来，解决这些问题一直是科学界的首要目标。

日冕是太阳上喷射物质的地方，它们以接近光速的惊人速度将粒子抛向太空。这些活动还可能在地球附近引发空间气象风暴，危及卫星和宇航员，扰乱无线电通信，最严重的情况下引发断电

看到这里大家可能要问，探测太阳有什么作用呢？我们不是准备前往火星或者月球居住了吗？其实太阳与我们的生活息息相关……刚才我们说到，来自太阳的能量为地球上的生命提供动力，但太阳也会引发一些不好的事情。比如对我们日益依赖的技术构成威胁，干扰无线电通讯，影响卫星和人类太空飞行，最糟糕的是，还会干扰电网。更好地理解太阳活动的基本过程，可以让我们有提前预测的能力，提前预测它们对地球的影响。

帕克太阳探测器在整流罩内

那么帕克太阳探测器如何探测？如何分析太阳风活动和高能粒子呢？最关键的，它是如何抵御太阳高温的呢？这确实很让人好奇。接下来我们先来看看帕克太阳探测器的冷却系统TPS……

大家看到帕克太阳探测器就会看到一个直径为2.3m的TPS遮罩，它主要的作用就是保护帕克太阳探测器的相关结构。在靠近太阳时，TPS可以保护在阴影中的总线结构和科学载荷。

一般来说，有效载荷受TPS保护，不受太阳的影响。有两个科学载荷例外，一个是SPC太阳能探测杯，这是SWEAP科学载荷的一部分，还有一个是进行磁场研究的电场天线科学载荷。

帕克太阳探测器被运送到无尘室进行测试

帕克太阳探测器在离太阳最近的时候，可以驱散太阳能电池阵列并吸收太阳通量，使太阳能电池模块能够在其温度限制范围内工作，同时提供所需的电力。帕克太阳探测器的冷却系统一部分由水构成，水可以从太阳能阵列压板的最外侧环流，通过太阳能阵列机翼上的通道进入安装在TPS下的四个散热器冷却系统中。然后通过位于航天器顶部上的泵返回，该系统设计和运行的目的是防止帕克太阳探测器在远日点冻结，可以说冷了也不行，热了也不行。

回到遮罩部分，TPS遮罩仍然是碳和碳泡沫夹层材料，在面向太阳的表面涂有陶瓷涂层，以控制反射和发射性能。TPS的形状和尺寸一共更改了7次，以优化质量，同时需要考虑到可制造性和控制太阳能电池板的发展。

马里兰州劳雷尔的工程师将热防护系统TPS安装在帕克太阳探测器上

除此之外，为了解决热的问题，帕克太阳探测器上面的线缆都用蓝宝石晶体管包裹着，这也是为了探测器线缆而设计的。其实在发射之前工程师就已经进行了多次热量和模拟太空测试，确保帕克太阳探测器在太空中或者在飞越太阳的时候不受影响。

说完了帕克太阳探测器的冷却系统，接下来我们一起来看看帕克太阳探测器的科学载荷。其实无论是恒星探测器还是行星探测器，科学载荷都非常重要，探测器只有利用科学载荷才能进行精密探测得到科学家需要的数据。帕克太阳探测器主要有4个科学载荷，具体的细分比较多。

帕克太阳探测器主要科学载荷

WISPR广域成像仪

广域成像仪是航天器上唯一的成像仪器。WISPR在航天器飞越日冕和太阳风活动之前，可以观察太阳风活动的结构。WISPR有鞋盒大小，可以从遥远的地方拍摄到日冕物质抛射和CMEs辐射，其他太阳抛射物等结构的图像也可以捕获。这些结构喷射的时候会远离太阳，最终范围超过航天器，航天器的其他仪器在那里进行原位测量。WISPR有助于将大规模日冕结构中发生的情况与在近太阳环境中直接捕捉到的详细物理测量数据联系起来。

为了拍摄太阳大气层的图像，WISPR单独使用了隔热层来阻挡大部分的太阳光，否则将会影响观测日冕的活动。特别设计的挡板和遮光板可以和吸收剩余的杂散光，这些杂散光已被反射或漫射到TPS边缘或航天器的其他部分。

帕克太阳探测器结构图

WISPR使用了两个带有抗辐射源像素传感器CMOS相机。相机被用来代替传统的CCD结构，因为它们更轻，使用的能量也很少。它们也不太容易受到宇宙射线和其他高能粒子辐射损伤的影响，这些都是靠近太阳的一个大问题。WISPR是由位于华盛顿特区的海军研究实验室的太阳物理物理分部设计和开发的。

SWEAP太阳风电子仪和质子探测仪

太阳风电子Alphas仪和质子探测仪可以利用两种互补的仪器收集观测数据，它们分别是太阳探测法拉第杯SPC和太阳探测分析仪SPAN。这些仪器可以计算出太阳风中最丰富的粒子，比如电子、质子和氦离子，并测量它们的速度、密度和温度等特性，以增进我们对太阳风和日冕等离子体的了解。

SPAN-A结构

SWEAP的SPAN-B结构

SPC法拉第杯，这是一种在真空中捕捉带电粒子的金属装置，SPC可以透过隔热层观察电子和离子是如何运动的，这个结构需要暴露在太阳光、热和能量之下。SPC是由一系列高透明的栅格组成的，其中一个栅格使用可变的高压来对粒子进行分类。

位于仪器前端附近的栅格可以抵挡1700摄氏度左右的温度，在仪器进行测量时会发出红光。该仪器还使用了蓝宝石片电隔离杯等不同组件，当它接近太阳时，SPC每秒要进行146次测量，以精确确定太阳等离子体的速度、密度和温度。

太阳杯SPC

SPAN由SPAN-a和SPAN-b两种仪器组成，这两种仪器视野开阔，粒子到达SPAN就会进入迷宫一样的通道，这个迷宫的作用就是根据粒子的质量和电荷对它们进行分类。虽然SPAN-a有两个成分来测量电子和离子，但是SPAN-b只看电子。SWEAP由史密森天体物理天文台和加州大学伯克利分校的空间科学实验室建造。

FIELDS仪器

FIELDS仪器可以探测看不见的力量，也就是说它可以捕捉太阳大气中电场和磁场的大小和形状。FIELDS以高分辨率测量太阳内层的波和湍流，以了解与波、冲击和磁重联有关的场，磁重联的意思是磁场线重新排列的过程和结果。

帕克太阳探测器渲染图

FIELDS仪由五个天线测量宇宙飞船周围的电场，其中四个天线伸出宇宙飞船的隔热层TPS，直接在阳光下，在阳光下，它们会经历1400摄氏度左右的高温。2米长的天线由铌合金制成，可以承受极端温度。四根太阳在阳光下的天线以两种模式工作，分别测量快太阳风和慢太阳风的特性。第五个天线，在隔热罩的阴影下弯折伸出，这样有助于在更高频率下形成电场的三维图像。

热保护系统与FIELDS等科学载荷的集成工作

除此之外，FIELDS还有三个磁力仪，每个有拳头大小，它们可以帮助天线磁场，搜索线圈磁力仪或单片机，测量太阳活动磁场随时间的变化情况。除此之外FIELDS还有两个相同的磁通门磁强计，分别是MAGi和MAGo，它们可以测量大规模的日冕磁场。FIELDS是由加州大学伯克利分校空间科学实验室的一个团队设计建造。

太阳高能粒子仪

研究人员使用四台IMAX投影仪来制造帕克太阳探测器杯在穿越太阳大气层时所经历的光和热。此外，四台IMAX投影仪也会测试帕克太阳探测器的其他部件

太阳高能粒子仪也会使用两个互补的仪器进行共同的科学调查，结合测量粒子在各种各样条件下能量。通过测量电子，质子和离子，太阳高能粒子仪会理解粒子的生命周期，还可以解决其他问题，比如他们来自哪里，他们如何加速等等。太阳高能粒子仪的两个互补仪器分别是EPI-Lo EPI-Hi (EPI代表高能粒子仪器)。

帕克太阳探测器耗资15亿美元，近150个机构，300名科学家参加了帕克太阳探测器的研发和制造。美国宇航局戈达德航天飞行中心的太阳轨道项目科学家克里斯·圣·西尔说：“帕克太阳探测器主要的目标就是了解太阳是运行的，以及它对太空环境的影响，未来我们如何对太阳活动进行预测等等。”

帕克太阳探测器所有科学载荷

确实，人类的未来虽然光明，但是有一句话说的很贴切：太阳吼三吼，地球也要抖三抖……所以帕克太阳探测器正是为了提前预测太阳什么时候“吼”，了解太阳为什么“吼”，如何“吼”。除了无法到达的行星，对于一些行星我们了解的已经不少了，但是对于太阳系这个大个子我们还一无所知……

人类太空探索需要全面的发展，未来太阳探测任务将会告诉我们更多关于太阳的信息，让我们了解普照大地的光芒。