美国宇航局计划如何接触太阳

我们的太阳可能看起来不像更奇特、更遥远的恒星那样神秘，但它仍然是一个奇妙而神秘的炽热等离子体瘴气。它当然值得我们引起科学界的关注：抛开好奇心不谈，剧烈的太阳活动可能会扰乱卫星，仅对美国来说就造成 2 万亿美元的损失。然而，尽管生活在它的大气层中，我们却不了解它的一些决定性现象。六十年来，我们一直不明白为什么太阳表面的温度只有舒适的 5,500 摄氏度，而距离恒星表面数百万公里、密度低 12 个数量级的日冕却高达 100-200 万摄氏度。

为了找出原因，NASA需要飞得离太阳更近一点——并触摸它。

我们知道，磁重联（当磁场线以相反方向移动时，它们会像橡皮筋一样交织在一起并弹开）会将核武器般的能量波从表面推开。与此同时，磁流体动力波（由等离子体流动驱动的振动吉他弦状磁力波）会将能量从表面转移到日冕中。然而，如果没有更多的数据，我们对日冕加热和太阳风加速等现象的理解在很大程度上仍停留在理论阶段……但这种情况不会持续太久。

美国宇航局的“太阳探测器”Plus 将于 2018 年发射，飞行时间将近七年，创下物体移动速度最快的新纪录，它比任何研究过我们主星的航天器都更靠近太阳 3760 万公里。但人们需要带什么样的感官设备才能进入但丁的《地狱》呢？

航天器系统工程师 Mary Kae Lockwood 告诉 PopSci，该航天器将依靠四种主要仪器。太阳风电子阿尔法和质子系统（SWEAP）将监测碰撞电子、质子和氦离子产生的电荷，以分析太阳风——比以前的尝试距离太阳近 90 倍。同样，ISIS（太阳综合科学调查）采用最先进的检测系统来分析高能粒子（想想：致癌、卫星失效的粒子）。

与此同时，FIELDS 传感器将分析电场和磁场、无线电辐射和冲击波，同时使用偶然发现的技术收集高速尘埃粒子在飞船上打磨的信息。最后，太阳探测器广角成像仪（WISPR 望远镜）将对太阳风和太阳大气层进行 3D 猫扫描式成像。

只有一个问题。在高温、太阳辐射、高能粒子、太阳风暴的尘埃、以及最接近太阳时有限的通信机会之间，所有这些敏感设备都将处于一个几乎让朱诺号的新家相形见绌的环境之中。

洛克伍德表示：“我们在设计过程中必须注意的一件事是太阳风对航天器的“充电”。探测器必须具有导电性，“这样实际测量太阳风的仪器才不会受到干扰。”

然而，为了足够接近太阳并解决这一问题，探测器必须“损失一些能量”，洛克伍德说，它多次飞越金星以缩小其轨道，“[允许]我们……越来越靠近太阳。”

然而，正如隔热罩机械工程师 Beth Congdon 告诉 PopSci 的那样，这带来了“有趣的设计挑战，因为你不仅要进入太阳”。 “你在接近时会变热，然后出来时又会变冷”，在 7 次飞越和 24 次轨道中反复进行。 “你实际上需要让它周期性地经受住高温和低温。” 还有高能粒子。 和超高速尘埃。 为此，你需要一个“不同于以往任何其他隔热罩”的隔热罩。

房间里的大象

“很多你通常会想到的隔热罩，比如航天飞机……它们最多只能维持几分钟的高温。”但康登表示，当探测器最接近 590 万公里时，温度将达到 1,377 摄氏度，并持续一整天。

但碳可以拯救地球。“在地球上，碳容易氧化并产生烧烤效应，”康登说道，“[但]在太空真空中，碳是一种非常适合高温应用的材料。探测器的防护罩由碳泡沫制成，夹在碳复合材料层之间，并涂有反射陶瓷涂层。

此外，她说，大多数防护罩都配有减震平台。而这款防护罩必须以无需减震平台的方式集成，这样它才能减轻振动，“这样我们才能让整个系统的质量尽可能低。”然而，这种纤薄、精致和超轻的构造使得将所有敏感设备安全地隐藏在其后变得具有挑战性。

为此，飞船配备了太阳边缘传感器。如果飞船开始偏离平衡，这些传感器将首先被照亮，并会通知自主导航和控制系统，该系统将所有仪器置于热保护系统之后，甚至还配备了备用处理器以防发生任何故障。

与此同时，太阳能电池阵面对的太阳光强度比地球上高 475 倍——在这种环境中，“在最接近太阳时，一度的变化相当于 30% 的功率变化”——每当它转向太阳时，它就会自动缩回到隔热罩后面。从那里，它将通过充满水的钛通道网络保持在 160 摄氏度的低温下。

因此，当隔热罩经受住每小时数百万英里的大风和无数次日冕物质抛射的考验，通讯系统几乎无法连续 11 天传递信息时，阵列将保持舒适——同时为我们这个小小的宇宙邻居家门口的一位重达 1,345 磅的自主科学家提供动力。

“去一个地方会改变我们对这个地方的一切看法。看看新视野号，它改变了我们对冥王星的想法、信念和理解。我们真的很兴奋能去那里，彻底改变我们对太阳的看法，”康登说。了解太阳的决定性现象是一个诱人的目标。但首先我们必须应对 1.433 亿公里的太空——这是 NASA 历时半个多世纪建造的最具技术挑战性的建筑物之一。