2009年1月15日星期四

向太阳发射探测器

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室正计划向太阳发射一个探测器,它距离太阳之近是其他飞行器从未达到的。3个月后,太阳探测器将第一次试飞。如果试飞成功,将解答太阳如何工作以及如何影响地球和地球万物等关键问题。该探测器预计2015年正式发射。

  希腊神话中,艺术之神代达罗斯的儿子伊卡卢斯飞往太阳,结果被烧化了翅膀,最终掉进了大海。在现实中,怎样才能让一艘宇宙飞船无限接近太阳却不被烧成一堆炭渣?这是一个困扰了全世界无数科学家的问题。
  “我们将在夜里出发。”安德鲁·丹泽乐(Andrew Dantzler)说。他是一项新的太阳探测计划——由美国宇航局和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(以下简称APL)共同发起的太阳探测计划的项目经理。
  太阳的外部大气层由里向外依次是光球层、色球层、日冕层,越往外温度越高,飞行器所接触到的日冕层温度高达华氏2600度(摄氏1426度)。日冕层是太阳的最外围,这个项目将对从日冕层发出的粒子流进行研究。


 
3个月后,太阳探测器第一次试飞
  为了实现人类的太阳探索计划,美国乃至全国家的科学家已经为此奋斗了50年。中国也有自己的探日计划,名为“夸父计划”。但是这些探日计划进展缓慢,因为有些很难解决的技术难题和预算限制。直到今年2月,在美国宇航局的要求之下,一个由APL牵头的小组完成了太阳探测器设计和发射研究,详尽地描述了自动作业将如何实施。这个研究小组以2005年APL已有的一项研究为基础,在美国宇航局的帮助之下,解决了成本和技术难题。
  对于人类历史上第一次离太阳中心只有660万千米、在数百万摄氏度高温的“旅行”,APL的科学家很乐观。“我们知道我们的想法是对的,”APL太阳探测计划的项目经理安德鲁·丹泽乐说,“目前,我们正在将现有的资源创造性的融合在一起,技术水平已经达到了,理念是可行的,全部的任务可以在不到7.5亿美元的预算内完成,或者说,只是一个中等星球探测任务的成本。剩下的只是时间问题。”
  该太阳探测器重1000英镑(约450千克),预计2015年发射。该太阳探测器将测量太阳“大气”中的高能质子和电子的数量;测量日冕层磁场的强度和方向;跟踪给日冕层加热和给太阳风加速的能量流;确定能量粒子加速和传输的构造原理;探测太阳附近的灰尘漩涡及其对太阳风和高能粒子结构的影响等等。
  3个月以后,太阳引力将达到最强,太阳探测器将进行第一次试飞。
  如果试飞成功,将解答太阳如何工作以及如何影响地球和地球万物等关键问题。“太阳探测是一个真正的探索任务,”APL的太阳探测科学家罗伯特·戴克说,“例如,宇宙飞船将从最近的距离观察太阳风从零速度到超音速的增速过程。在任务执行过程中,太阳探测器将提出的问题比答案更多。”
  丹泽乐说:“50年以前,太阳探测被当作太阳物理领域最重要的问题提出,”不知道太阳日冕层的状况就想弄明白太阳如何影响地球,就像不清楚海洋的成分就预测飓风一样不可能。太阳物理的研究者希望通过这个项目回答他们最关心的两个问题:
  为什么太阳表面的温度只有大约6000度,而太阳最外层也就是日冕层的温度能超过100万摄氏度?
  为什么太阳风在太阳表面时还不是很强烈,可从日冕层发出之后却能达到每秒数百万英里?
  “我们能回答这两个问题的唯一办法是想日冕层中发射一艘宇宙飞船并测量其中的粒子。”NASA“和星球共生”项目的科学家Madhulika Guhathakurta说。“我们需要解开这些谜团,因为我们生活在太阳的外部大气中,而且这个环境和地球的磁层以及电离层一起产生了大气气候,这点非常重要。”
  太阳风暴释放出的放射物、电能和磁能,会影响地球周围的卫星定位,威胁人类的太空飞行或极地天空航行,甚至是地面的公用电网。

 

飞船外壳足以抵挡华氏2600度
  过去50 年的早期飞行试验已经证明了一个共同的事实:把探测器送往太阳日冕层,技术难度极高,成本巨大。2005 年,APL 做过一次尝试,但提交给NASA 的建议中包含着注定失败的因素。
  原来的计划中,给探测器提供电能的是同位素热电式发电机(RTG),RTG的能量来源于钚238,但用钚做动力来源可能引发发射事故。而且这个计划的花费太高,达到12 亿美元。于是,APL 立刻否决了钚电力发动机。
  早期计划中的另一个缺陷是,探测器只能在日冕层中做一到两次弧线运动。探测器原计划从太阳的两极飞过,但太阳两极地区高能粒子最多,飞行器需要极其强大的能量才能顺利运行。
  最初的计划还希望利用木星的引力来改变飞行器的运动轨迹,最终将飞行器送入太阳轨道;但是木星距太阳太远,太阳能电板无法接收到足够的太阳能,只能作罢。
  最初的计划还希望利用木星的引力来改变飞行器的运动轨迹,最终将飞行器送入太阳轨道;但是木星距太阳太远,太阳能电板无法接收到足够的太阳能,只能作罢。
  最后,APL把借助木星引力改成借助金星引力,因为金星离太阳更近,太阳能电板接收到的能量更充足。同时,APL也放弃了对太阳的极地探测而改为对太阳赤道的探测。从赤道探测也有不少好处,这里高能粒子数量较两极地区少得多,因而飞行器的速度更快,飞过日冕层时达到每秒125英里的速度,绕赤道飞行24圈,这意味着科学家可以有24次机会对太阳进行探测;而极地探测时,飞行器只能做一至两次探测。
  飞行器到达日冕层以后,为了避免被高温熔化,探测器外壳由足以抵挡华氏2600度高温的合成碳制成,而且必须能承受放射物爆炸所释放的巨大能量。日冕层的温度最高可以达到100万摄氏度,但是飞行器所到之处高能粒子距离还相距较远,所以飞行器不会遭遇如此高温。尽管如此,试验者还是把最初计划的飞行距离扩大了一辈,以保证安全。
  飞行器正对太阳的一面是一个圆形太阳能挡板,直径9英尺(约270厘米),厚6英寸(约15厘米),由先进的充碳泡沫材料制成。它将一直朝向太阳,保护飞行器上照相机和感应设备。在太阳能挡板后面,还有第二层太阳能板,目的是保证飞船能时刻处于合适的温度和动力水平。在飞行器最接近太阳的时候,这些蓝色的小板将自动收回到飞行器的遮挡板后面。

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