“帕克太陽探測器”將首次飛入日冕觀測太陽

張揚眉（北京空間科技信息研究所）

2018年8月12日，美國國家航空航天局（NASA）用德爾他－4H（Delta－4H）運載火箭從卡納維拉爾角空軍基地成功發射了“帕克太陽探測器”（Parker Solar Probe）。該探測器是首個飛進太陽日冕進行探測的航天器，其科學目的是研究日冕和太陽風，并對可能影響人類日常生活的空間天氣進行預警。

1 “帕克太陽探測器”項目背景

早在1958年，美國國家科學院的辛普森委員會（Simpson Committee）就提出一項旨在探測近太陽粒子和場環境的任務。到了21世紀90年代，NASA規劃了“外行星/太陽探測器”（OPSP）計劃，該計劃最初包括3項任務，即“太陽探測器”（Solar Probe）、“冥王星柯伊伯快車”（Pluto Kuiper Express）和“木衛二軌道器”（Europa Orbiter）。然而，美國前總統小布什在其2003財年預算申請中取消了對該計劃的投資，“外行星/太陽探測器”計劃就此擱置，但“太陽探測器”任務一直被美國國家學院和NASA認為具有很高的科學優先級。

2009年，NASA對“太陽探測器”之前方案的軌道和載荷設計等方面進行了改進，并將其改名為“太陽探測器+”（Solar Probe Plus，Solar Probe+）。2017年，NASA以著名美國天體物理學家尤金·帕克（Eugene Parker）為該探測器命名，即“帕克太陽探測器”，這是首次以在世的人的姓名來命名一個航天器。尤金·帕克于20世紀50年代提出了太陽風理論，他認為日冕不可能是一團宏觀上靜止的彌散氣體，而應該是一種向外運動的“氣流”，即太陽風。此外，他還預測了“帕克”螺旋的存在。尤金·帕克的理論極大地推動了科學界對于太陽的研究，他也于1967年被選為美國國家科學院院士。

“帕克太陽探測器”項目屬于NASA的“與日共存”（LWS）計劃。該計劃由NASA科學任務部的太陽物理學部門管理。約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）對“帕克太陽探測器”項目進行管理，并設計、建造和運行該探測器。

2 “帕克太陽探測器”科學目標

根據太陽活動的相對強弱，太陽可分為寧靜太陽和活動太陽兩種狀態。寧靜太陽是一個理論上假定寧靜的球對稱熱氣體球，其性質只隨半徑而變，而且在任一球層中都是均勻的，其目的在于研究太陽的總體結構和一般性質。在這種假定下，按照由里往外的順序，太陽是由核心、輻射層、對流層、光球層、色球層和日冕層構成。光球層之下稱為太陽內部,光球層之上稱為太陽大氣。

太陽結構圖

歷史上發射過的探測太陽的航天器

一直以來，人們通過對太陽的觀測取得兩大發現，第一是色球層反常高溫現象，即色球層一反太陽內部溫度自核心向外逐層遞減的趨勢，出現了外層溫度比內層溫度更高的奇怪現象；第二是日冕高速擴散到太空中，形成“太陽風”。基于之前的深空探測器和科學衛星取得的發現，已經獲取了有關太陽風的成分、屬性、結構等方面的信息，并拍攝了色球層外部的日冕和過渡區的高分辨率圖像等，然而仍然有兩個問題尚未解決，即日冕反常高溫現象和太陽風加速機制。

“帕克太陽探測器”的主要探測目的是為跟蹤研究日冕的能量和熱量的流動機制，探索太陽風加速的原因，并以統計學的方法研究太陽外層日冕。

“帕克太陽探測器”有3個具體的科學目標：

1）跟蹤研究加熱和加速日冕及太陽風的能量流；

2）確定太陽風來源處的等離子體和磁場的結構及動力學特性；

3）研究加速并運輸高能粒子的機制。

尤其是在“帕克太陽探測器”環繞太陽最后3圈的飛行過程中，將飛到距離太陽表面約9個太陽半徑處，即距離太陽6×106km處。在此之前，人類有史以來發射的距離太陽最近的探測器為“太陽神”（Helios）探測器。在距離太陽最近處，“帕克太陽探測器”將以7×105km/h（約195km/s）的飛行速度對太陽進行觀測，該速度相當于在1s的時間內從美國費城抵達華盛頓特區。

3 “帕克太陽探測器”性能與參數

“帕克太陽探測器”為六邊形棱鏡構型，發射質量為685kg，探測器高度3m，最大直徑2.3m，探測器平臺直徑1m。單組元肼推進劑。采用主動冷卻太陽電池翼，太陽電池翼總面積1.55m2，在抵達太陽時的功率為388W。0.6m高增益天線，科學數據下行速率在1AU處為167kbit/s。探測器采用耐高溫碳復合材料隔熱板，厚度約11.5cm，能夠承受1377℃的熱輻射。探測器任務計劃周期為6年11個月。

“帕克太陽探測器”攜帶4種有效載荷，分別為“場實驗裝置”（FIELDS）、“太陽綜合科學研究”（IS⊙IS）、“太陽探測器寬視場成像儀”（WISPR）、“太陽風電子α和質子”（SWEAP）研究裝置。

作為“帕克太陽探測器”任務的一部分，NASA還于2018年3月啟動一項姓名征集活動，邀請公眾參與報名，將他們的名字存入一張存儲卡中，由探測器攜帶這些名字飛向太陽。

“帕克太陽探測器”后端構型圖

“帕克太陽探測器”前端構型圖

“帕克太陽探測器”有效載荷

4 “帕克太陽探測器”飛行過程

“帕克太陽探測器”發射后，將在近7年時間內進行7次金星借力飛行，并于2024年抵達太陽附近。完成第一次金星飛越后，探測器將進入周期150天的橢圓軌道（該周期為金星運行周期的2/3）；第二次金星飛越后，探測器運行周期縮短為130天；第三次金星飛越后，探測器運行周期縮短為112.5天；第四次金星飛越后，探測器運行周期為102天；第五次金星飛越后，探測器運行周期為96天；第六次金星飛越后，探測器運行周期為92天；第七次金星飛越后，探測器運行周期變為88～89天，進而以該周期近距離繞太陽運行。

飛抵太陽后，“帕克太陽探測器”將近距離飛入太陽大氣層，以7×105km/h的速度，在距離太陽表面6×106km的大橢圓軌道上環繞太陽運行24圈。“帕克太陽探測器”將比以往任何探測器都要接近太陽，最近時距離太陽表面僅6×106km，與太陽的距離只有此前近距離繞太陽運行的“太陽神”探測器的1/7，探測器與太陽的最近距離更是水星與太陽距離的1/10。

“帕克太陽探測器”飛行過程

“帕克太陽探測器”運行計劃和太陽電池陣狀態

“帕克太陽探測器”發射及計劃飛行過程

5 “帕克太陽探測器”的技術特點

探測器采用高性能熱防護系統

由于將超近距離觀測太陽，“帕克太陽探測器”采用了高性能的隔熱罩，即熱防護系統（TPS）。該熱防護系統直徑為2.44m，由兩塊碳-碳復合板夾著11.5cm厚的輕型碳質泡沫核心。除4副天線和1個特殊的粒子探測器外，所有儀器都處于隔熱罩的保護之下。隔熱罩本身質量僅為72.6kg，泡沫核心的97%都充滿了空氣。隔熱罩面向太陽的一側涂有特制的白色涂層，可以反射太陽的能量，盡可能地保護探測器。“帕克太陽探測器”在運行過程中遭遇的太陽輻射約為在地球軌道上遭遇輻射強度的520倍。該防護系統可以在“帕克”近距離繞太陽運行的過程中承受高達約1377℃的高溫，從而對探測器平臺和儀器進行有效的防護。

測試中的“帕克太陽探測器”

電源系統采用先進的自動冷卻技術

在電源系統方面，“帕克太陽探測器”攜帶了2個獨立的太陽電池陣系統。在日心距離較遠（超過0.25AU）時，主電池陣運行；在接近太陽時，主電池陣折疊起來置于熱防護系統的保護中，同時次電池陣啟動。次電池陣包括2個可移動的、液態冷卻的高溫電池陣。當探測器距離太陽更近時，次電池陣部分收折起來位于熱防護系統后方，同時維持穩定的溫度和電源輸出。此外，次要電源系統還包括一個鋰離子電池組。“帕克太陽探測器”的熱防護系統最高將承受1377℃的高溫，而探測器電源的自動冷卻系統能夠使得太陽電池陣的溫度保持在160℃甚至更低。該冷卻系統由應用物理實驗室與聯合技術航天系統公司（UTAS，制造冷卻系統）、索爾航空技術公司（SolAero Technologies，制造太陽電池陣）聯合開發。該冷卻系統創新性地采用了加壓水作為冷卻劑，冷卻功率為6000W。

分管NASA科學任務部的副局長托馬斯·祖步肯說：“‘帕克’將首次飛入太陽大氣層的最外層，也就是日冕進行探測活動。借助先進的觀測儀器和成像設備，將使我們對日冕的認知發生革命性的變革，同時也將進一步豐富我們有關太陽風起源和演化的知識。在提高空間環境變化的預測能力方面，‘帕克’也將做出重大貢獻。太陽活動可能會影響地球上的生命和技術設備，因此對太陽活動進行預測至關重要。”

“帕克太陽探測器”是一個肩負艱巨使命、性能卓越領先的深空探測器，它將首次超近距離飛進日冕，研究日冕反常高溫現象以及太陽風的能量傳輸機制，并發展對空間天氣進行預警的能力。探測器將承受比此前任何探測器遭遇到的更為嚴酷的高溫考驗，最終“觸摸”太陽。