【相關(guān)閱讀】美國(guó)NASA帕克太陽(yáng)探測(cè)器接觸到太陽(yáng)，人類史上首次壯舉

準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，美國(guó)宇航局的帕克太陽(yáng)探測(cè)器是超出我的想象，這絕對(duì)是人類工程奇跡，甚至可以與詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡齊名。我原本以為這只是一個(gè)普通的太陽(yáng)探測(cè)器，幾十年前美國(guó)和歐洲都發(fā)射過類似的太陽(yáng)探測(cè)器，但是……這篇文章我們直接切入正題，首先從帕克任務(wù)的難點(diǎn)開始。

1.太陽(yáng)附近的環(huán)境非常惡劣，如果沒有足夠的安全熱保護(hù)系統(tǒng)，航天器將無(wú)法生存，同時(shí)，帕克還必須兼顧輻射問題。輻射帶來(lái)的問題遠(yuǎn)比高溫更可怕，尤其是告訴太陽(yáng)風(fēng)粒子的活躍，太陽(yáng)就是太陽(yáng)風(fēng)的起源，在太陽(yáng)風(fēng)粒子起源的地方轉(zhuǎn)悠，被粒子擊中的可能性將大大增加。

2.接近太陽(yáng)也非常困難，在接下來(lái)的內(nèi)容會(huì)具體講到。

帕克太陽(yáng)探測(cè)器的主要任務(wù)就是對(duì)太陽(yáng)日冕層粒子以及周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，以揭示太陽(yáng)日冕是如何被加熱的，太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)高能粒子是如何被加速的。50多年來(lái)，解決這些問題一直是恒星科學(xué)領(lǐng)域最重要的科學(xué)目標(biāo)。在為期七年的任務(wù)中，帕克需要進(jìn)行七次金星重力輔助加速，軌道異常復(fù)雜。不僅如此，帕克在巡航接近太陽(yáng)的過程中還需要對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的所有三形態(tài)（慢、快和瞬態(tài)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，因?yàn)樘?yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)，粒子速度等等會(huì)隨著太陽(yáng)活動(dòng)的增加而日益復(fù)雜，美國(guó)宇航局在設(shè)計(jì)帕克軌道的時(shí)候就允許帕克對(duì)太陽(yáng)高緯度太陽(yáng)風(fēng)粒子和赤道太陽(yáng)風(fēng)粒子進(jìn)行擴(kuò)展測(cè)量。

每個(gè)軌道有兩個(gè)周期，一個(gè)入站周期和一個(gè)出站周期，出站與入站統(tǒng)稱為快速?gòu)较驋呙瑁谶@些稱為快速?gòu)较驋呙璧臅r(shí)間間隔內(nèi)，航天器將在多次“繪制”扇形區(qū)域，然后在規(guī)定的大徑向距離內(nèi)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行采樣。這些測(cè)量將產(chǎn)生更多關(guān)于太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)空間和時(shí)間依賴性以及它們?nèi)绾卧趦?nèi)日光層中合并的信息。

為了通過獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)回答地球軌道衛(wèi)星和其他行星際空間探測(cè)器觀測(cè)無(wú)法回答的問題，帕克太陽(yáng)探測(cè)器必須足夠的接近太陽(yáng)，這也是帕克和之前的太陽(yáng)探測(cè)器最大的不同。想要接近太陽(yáng)，畫好軌道，7次金星重力輔助還不夠，還有一個(gè)關(guān)鍵單位也必須達(dá)標(biāo)——速度，這也是為什么帕克太陽(yáng)探測(cè)器飛行速度這么快的原因，帕克是目前最快的人造探測(cè)器，甚至超越了新視野號(hào)和旅行者系列探測(cè)器。

另外我看到大家經(jīng)常把帕克和美國(guó)與歐洲一起合作的另一個(gè)太陽(yáng)任務(wù)搞混，太陽(yáng)軌道探測(cè)器和帕克這兩項(xiàng)任務(wù)都是仔細(xì)地觀察太陽(yáng)外層日冕結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。我們知道地球上看，日冕只有在日全食時(shí)才可見，那時(shí)月亮擋住了太陽(yáng)最強(qiáng)烈的光線，露出了外層大氣的纖細(xì)、珍珠般的白色結(jié)構(gòu)。

但是其實(shí)日冕并不像日全食時(shí)看起來(lái)那么微妙，日冕的許多行為都是不可預(yù)測(cè)的，帕克和太陽(yáng)軌道探測(cè)器將一個(gè)遠(yuǎn)，一個(gè)近的探索太陽(yáng)日冕層。這次帕克發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)日冕的帶電氣體是由一系列物理定律驅(qū)動(dòng)的，這些定律我們?cè)诘厍蛏蠠o(wú)法實(shí)驗(yàn)。之前的一篇半專業(yè)文章為大家梳理了之前美國(guó)宇航局太陽(yáng)任務(wù)發(fā)現(xiàn)的“之”字形太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)和S字形太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)，美國(guó)宇航局科學(xué)家們一直在研究讓帶電粒子和讓磁場(chǎng)跳舞扭曲的細(xì)節(jié)，知道這個(gè)可以幫助我們理解兩個(gè)關(guān)鍵問題：是什么使日冕比太陽(yáng)表面熱得多，是什么驅(qū)使太陽(yáng)風(fēng)粒子不斷地以如此高的速度涌出。

美國(guó)宇航局科學(xué)家解釋說(shuō)：“帕克太陽(yáng)探測(cè)器和太陽(yáng)軌道器采用不同的技術(shù)，但作為任務(wù)，它們是互補(bǔ)的。他們將同時(shí)拍攝太陽(yáng)日冕的照片，他們將看到一些相同的結(jié)構(gòu)，在太陽(yáng)兩極發(fā)生了什么，在赤道上這些相同的結(jié)構(gòu)看起來(lái)像什么。”

帕克代表人類，進(jìn)入太陽(yáng)日冕層，這不僅僅是一次突破，更代表著人類科學(xué)文明的最高水平，為什么這么說(shuō)呢？讓我們?nèi)蝿?wù)難點(diǎn)，看看帕克太陽(yáng)探測(cè)器本身。和詹姆斯韋伯一樣，帕克本身的存在就是藝術(shù)品，帕克一共攜帶了4套科學(xué)儀器，13個(gè)科學(xué)載荷，我只為大家介紹其中的一些，因?yàn)槿紝懲甑脑捥L(zhǎng)了，也太多了，美國(guó)宇航局任務(wù)介紹寫的都沒我長(zhǎng)……

首先是SWEAP，SPC（法拉第杯）和SPAN（太陽(yáng)探頭分析儀）組成了SWEAP。法拉第杯不需要遮陽(yáng)板的保護(hù)，它可以直接觀察航天器周圍的環(huán)境，并實(shí)時(shí)快速測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)的整體特性。SPAN是航天器隔熱罩后面的一組三個(gè)ESA靜電分析儀，用于詳細(xì)測(cè)量離子和電子的三維速度分布函數(shù)。SPAN在航天器總線的兩側(cè)分為兩個(gè)模塊。SPAN-A位于航天器的右側(cè)，具有離子和電子ESA分析模塊，而SPAN-B位于航天器的左側(cè)，具有綜合系統(tǒng)ESA。SPAN-A、SPAN-B這兩個(gè)科學(xué)儀器有很多功能，比如它可以分析電子俯仰角分布、力矩，分析離子力矩，它還擁有全3D電子速度軟件功能，全三維離子速度分布函數(shù)分析功能，質(zhì)子體積分析功能，VDF 2D離子建模分析儀等等。

而法拉第杯能夠以超過100Hz的速度對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的流動(dòng)角度進(jìn)行及時(shí)測(cè)量，從而能夠測(cè)量回旋加速器頻率以上的離子波動(dòng)，下面會(huì)具體說(shuō)法拉第杯的制造過程。SPAN-A和B的電子視野覆蓋了全部天空，整個(gè)SWEAP套件就能夠檢測(cè)沿局部磁場(chǎng)流動(dòng)的高能電子束，不管其方向如何，都需要AB的幫助。

美國(guó)宇航局很聰明，他們把SWEM的大部分用于SWEAP的航天器接口電子設(shè)備安裝在單個(gè)模塊中，以減少質(zhì)量、簡(jiǎn)化線束和接口，并減少接口邏輯、電源轉(zhuǎn)換器和其他通用服務(wù)的重復(fù)。SWEM允許與單一接口（DPU接口），DCB大概是160乘200毫米大小，6U-VME參數(shù)。法拉第杯，帕克太陽(yáng)探測(cè)器的一大亮點(diǎn)，其他的參數(shù)我就不說(shuō)了，十分復(fù)雜，它的系統(tǒng)噪聲級(jí)，SNR控件兒，HVPS系統(tǒng)等等，參數(shù)都是世界頂級(jí)，大概說(shuō)一下美國(guó)宇航局是怎么制造的吧。

首先安裝在最上面的兩塊薄環(huán)形鈮板可以幫助法拉第杯直接暴露在1700攝氏度的高溫下，調(diào)制器和集電極組件由一種稱為鉬TMZY合金制造，我也不知道這是什么東西，沒查出來(lái)。之前太陽(yáng)探測(cè)器任務(wù)一般用Delran絕緣體固定，還需要與調(diào)制器壁隔離，不過美國(guó)宇航局用合成藍(lán)寶石棒取代了過去的絕緣體。除此之外，美國(guó)宇航局幾十年前的太陽(yáng)神B任務(wù)用的編織鎢絲網(wǎng)，現(xiàn)在換成了晶片激光蝕刻的單片網(wǎng)格所取代，這些新網(wǎng)格結(jié)構(gòu)比舊的網(wǎng)格更堅(jiān)固，舊的網(wǎng)格容易因斷絲而失效，而且制造時(shí)間很長(zhǎng)。

之后就是和堆火箭似的堆疊每個(gè)子組件，然后用TZM板從背面密封。疊層是由鈮間隔環(huán)、單個(gè)網(wǎng)格和藍(lán)寶石間隔棒和環(huán)組成的，之后美國(guó)宇航局還會(huì)通過從調(diào)制器組件側(cè)面饋電結(jié)構(gòu)的鈮絲將電傳輸至調(diào)制器柵極，并通過壓接和激光焊接連接至鈮環(huán)，這個(gè)時(shí)候高壓柵極就會(huì)夾在鈮環(huán)和鎢環(huán)之間。藍(lán)寶石封裝的電纜從調(diào)制器外殼的側(cè)面引出，與特殊定制的合金電纜連接。在這些電纜中，藍(lán)寶石管必須將電線與接地的鈮外管絕緣。

美國(guó)宇航局針對(duì)法拉第杯進(jìn)行了熱模擬，頂部第一個(gè)模塊將承受1700C以上的溫度，調(diào)制器外殼壁將達(dá)到1000C。這溫度看著挺高，其實(shí)杯體向陽(yáng)內(nèi)側(cè)的部件相對(duì)較冷，電路板的溫度約為700C，集電外殼的背面溫度約為600C，這遠(yuǎn)低于材料和部件的經(jīng)過測(cè)試的極限溫度。

就差不多寫這些吧，太多了，法拉第杯，AB，也就說(shuō)了三個(gè)科學(xué)儀器，還有十個(gè)科學(xué)儀器沒說(shuō)，不過大家就算看這三個(gè)科學(xué)儀器也應(yīng)該知道這家伙有多硬核啦……

未來(lái)帕克太陽(yáng)探測(cè)器還會(huì)不斷飛越并進(jìn)入太陽(yáng)日冕層，希望未來(lái)帕克能給我們帶來(lái)更多關(guān)于太陽(yáng)的數(shù)據(jù)，另外，因?yàn)槭菍I(yè)文章，我就不怎么配圖啦。