NASA 发射史上离太阳最近航天器「帕克号」，挑战百万度高温，不会被热化吗？
原文：美宇航局将发射史上离太阳最近航天器，挑战日冕层百万度高温一场新的“夸父逐日”之旅即将开启，打破人造物体逼近太阳的极限距离。美国国家航空航天局（NASA）近日宣布，其新一代太阳探测器“帕克”号（ParkerSolarProbe）最早将于8月6日发射，搭乘德尔塔四型重型火箭从佛罗里达州的卡纳维拉角升空。http://pic2.zhimg.com/v2-a7d9409e5372b68eec97a4ae668be885_r.jpg
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http://pic2.zhimg.com/v2-ad6c663fa0308c8340f2465b1d341a19_r.jpg 一把黑色的遮阳伞不能抵消夏日炎炎的热浪，这是因为大地的红外辐射加热了空气，而你时时刻刻被热空气包裹着，因此遮住太阳你还是会感到很热。
而太空环境几乎可以视作没有任何介质的真空，这种环境下热辐射是唯一传递热量的方式，所以只要用一副高质量耐热的遮光罩遮挡住太阳光将仪器置于“阴影区”内便能有效保证自身不被烧毁，并且屏蔽了太阳光的太空是很好的散热低温冷源，既然有温度差，那么遮光罩、电池板吸收的热量就能以辐射的方式自然而然得散发至太空，不至于热量越积越多，使温度控制在一个可接受的范围。
简单的说，大家可以这么理解，这个探测器耐热的那部分被火炙烤，另一部分却全部侵在干冰里，所以整体温度不至于太高，那些关键的仪器则被安置在合适的地方。
还有很重要的一点是，温度是粒子运动速度的宏观表现，不等同于所蕴含的能量。好比速度和动能的关系一般，出膛的子弹速度远高于飞奔的汽车，但动能却比汽车小。太阳日冕区是很稀薄的，换句话说这里所谓的百万度高温不过是一些被太阳磁场加速到极高速度的粒子罢了，不意味着蕴含的热量有多高，大型强子对撞机创造出5.5万亿度的人造高温，远远高于太阳核心其实也是这个道理。 正好听译了一个NASA的视频，可以直接拉到最后看视频。
不方便看视频的，总结一下有五个原因：
1、虽然日冕层的温度高达一两百万摄氏度，不过庆幸的是，温度并不等同于热量。实际上，日冕层中的粒子分布非常稀疏，探测器实际上并不会碰到那么多高温的粒子。
2、尽管这样，探测器还是需要能够抵御实际高达1400摄氏度的高温才行，为此，帕克号带上了一块白色的盾牌（热防护系统TPS）。
这块凝聚了NASA黑科技的防热盾，最外层是白色的陶瓷涂层，可以反射绝大部分来自太阳的热，盾牌里面是两层碳-碳复合材料夹着一层11.4厘米厚的碳泡沫，以极轻的重量达到了高度耐热和坚韧的保护效果，让背后的科学仪器们可以1400度高温的环境里自身却能保持在舒适的室温下。
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图：（左）帕克号的防热盾反射来自太阳的热的假想图；（右）防热盾的实物图。来源：NASA
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图：约翰霍普金斯大学应用物理实验室帕克太阳探测器防热盾项目组的首席工程师贝特西·康登在演示防热盾中碳-碳复合材料和碳泡沫夹层的组合如何耐高温，仅仅十几厘米厚的隔热材料，就可以让另一面的手感觉不到任何热量穿透过来。来源：NASA
3、但手持盾牌，就意味着你得是时时刻刻让盾牌对准敌人才行，因此帕克号必须足够机敏和灵活。为此，帕克号在被防热盾遮住的阴影区的每个角都安装了“热传感器”，一旦传感器检测到这地方被太阳照到了，那么探测器立刻就能知道大事不好，要赶紧调整姿态来正对太阳。
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图：帕克号的热传感器位置（白圈）。来源：NASA
4、但作为帕克号的生命之源，提供能量的太阳能板必须得到特殊保护。帕克号使用循环流动的水来冷却太阳能电池板，具体地说，是让水从太阳能板背面流过时被加热，然后流进散热器中时冷却，循环往复。
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图：帕克号的冷却系统的位置。修改自：JHU/APL
5、最后，帕克号是大偏心率轨道，并不是总是离太阳很近的。离得近的时候探测，离得远的时候传回数据，劳逸结合，而且也避免了长期处于恶劣环境之中。
视频在这里，感谢@尞祡 的帮助，大大解放了我的生产力orz
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为什么帕克号不会被热化？
https://www.zhihu.com/video/1011690261029765120
原视频来源：
Traveling to the Sun: Why Won’t Parker Solar Probe Melt? 北京时间2018年8月11日下午3：48，帕克探测器将被发射前往太阳。
如果一切顺利的话，这将是一段称得上漫长的旅程。
探测器会搭乘安装有上级箭体的德尔他IV型重型火箭升空，随后在9月底第一次飞掠金星，11月初首次从35.7倍太阳半径之外与太阳系的中心恒星擦肩而过。
故事的高潮将在7年之后第22次近日点飞掠期间来临。
帕克将抵达目标轨道，在那里把“与星同在”（Living With a Star，简称LWS）计划的最前哨部署到日冕之内，第一次实现与太阳接触的亘古梦想。
与此同时，地面太阳观测台站也在积极配合帕克探测器而作出相应的筹备，以图在不久的将来协同开展天地联测，并更好地解释帕克传回的数据。
[*]帕克探测器将有多么接近太阳？
这台原名“太阳探测器+”的航天器最大的亮点是“触及太阳”，堪称即将把上古神话天马行空的幻想和当今太阳物理学家急迫的探索渴求变为现实的新时代伊卡鲁斯——从与太阳的距离来看，绝大多数已有或即将发射的太阳观测平台充其量只是混迹于太阳风中甚至是地球附近的外围分子，帕克探测器却是要扎扎实实地潜入日冕之中开展实地勘测。
帕克探测器的使命是扮演LWS计划中深入太阳风源头的关键角色，直溯将日冕加热、吹出太阳风的能流，并勾勒出太阳风源头处的等离子体和磁场形态，探索高能粒子加速和输运的机理。
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帕克探测器在太阳周边的飞行路径（浅蓝色曲线），蓝色圆盘大致表示太阳和日球层探测器大视场分光日冕仪的覆盖范围。（图片来源：scitechdaily.com）
它的最终轨道近日点距离太阳表面不到600万千米，这个数字只是太阳半径的不到9倍，已然算是太阳大气的深层领地。作为比较，哪怕太阳轨道器的近日点距离也要7倍于此，其他的同类卫星就更不用提了。
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即将离开地球飞往太阳的帕克探测器艺术图。（图片提供：JHU/APL）
[*]如何保证科学仪器不被热化？靠轨道设计和保护罩
因为从地球发射后直接经过转移轨道前往太阳附近未免太过消耗燃料，所以像那些飞往金星轨道之内的前辈航天器一样，帕克也要先花费好几年的时间，多次借助金星的引力来改变飞行方向，最终将进入周期88天的环日轨道。
入轨后，面临的第一个挑战就是：如何适应太阳周边环境？
怎样保证探测器能够在较长时间内顺利应对太阳周边的极端环境，从而有效开展科学研究？
帕克最终的环日轨道偏心率极高，近日点距离只有不足600万千米，而远日点则达到了上亿千米。在一个轨道周期之内，帕克只会以每秒200千米的创记录高速在近日点附近停留10余天。
这是为了保障探测器安全而必须作出的选择——太阳附近无论是磁场还是带电粒子流均远远强于近地空间，它们极有可能导致电子设备放电或材料的辐射损伤，更且会严重干扰通信。如果帕克探测器在日冕之内的近圆轨道上运行，怕是要不了多久就会整机报废了，更要命的是还不得不冒着相当一部分科学数据无法传回地球的风险。
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帕克探测器前往太阳的轨迹，以红色曲线表示。图中还由外到内标出了地球、金星和水星的公转轨道。（图片来源：scitechdaily.com）
日冕有着百万开尔文的高温，现有任何材料都禁不起如此温度的摧残。好在这个数字看似夸张，其实不过是日冕物质运动的动力学描述，只意味着其中的粒子热运动速度极高而已。在日冕的低密度环境下，手持温度计前去测量倒是不会得到太可怕的读数。
但就算如此，距离太阳超级近也等同于阳光超级强烈。阳光本质上是一种近似黑体的辐射，不可避免地要输送热量。
根据计算，帕克探测器在抵达近日点处所承受的太阳辐射剂量是地球附近的500倍左右，朝向太阳一面的温度更是会上升到1600开尔文以上，已然接近或超过多种主流金属材料的熔点。
而为了完成使命，帕克探测器携带有4架仪器，分别负责日冕与日球层内区的成像、太阳周边电子/磁场/波动/坡印廷流/等离子体性质的实地观测、被太阳大气加速的高能电子/质子/重离子的计数，以及太阳风主要成分的性质测量。
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帕克太阳探测器的科学载荷图示。（图片来源：Fox et al. 2016）
为了保护这些星载设备不受损伤，它们都被安置在绝热罩之后。
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最上面的那块白色“板子”就是绝热罩（图片来源：NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman）
这套绝热系统厚11.43厘米，由最先进的碳纤维强化碳素复合材料制成，可以让其阴影中的温度降到300开以下的日常室温水平；再配合能够自动判断环境条件、及时让探测器转向以实现防护最优化的软件系统，各系统得以免遭烈日之害。
可以说，虽然飞向太阳的幻想自古有之，虽然研究者在几十年前的太阳风发现之初就已认识到了直接探测日冕的意义和重要性，但直到近年，我们才具备了有效抵御强烈日照的技术手段，触及太阳一事也才变得指日可待。
[*]保证科学仪器不会被热化后，还有第二个难题要解决：如何供电？
我们都知道，靠太阳能电池板供电的探测器在太空中，如果晒不到太阳，绝对是很头疼的事情，但对帕克来说，晒得太厉害才是很头疼的事情。
科学仪器大可放心躲在由绝热罩构筑的安乐窝中采集数据，但太阳能电池板却不能，它们必须要时刻迎向太阳收集光线，哪怕到了近日点也不例外。
传统的航天器电池板无力应付高温强辐射的环境，所以工程师们多管齐下。
（1）参考了前往水星的信使号探测器的成功经验；
（2）专门为帕克探测器设计了独此一家别无分号的主动制冷式供电系统；
（3）考虑在轨道不同位置上，探测器与太阳的相对姿态有所不同，安装在绝热罩后方的一对电池板还采用了可开合的设计，在太阳附近向内收拢，远离太阳后打开；
（4）就连热量从电池组件向底部压板的传输方式都与众不同，特意用上了优良热传导性和绝缘性兼具的陶瓷载体和特制粘胶来保证散热。
只有一点，看上去与上述种种高大上的创新格格不入，那就是电池板制冷系统所采用的冷却剂——区区5升高压水。
毕竟航天器设计的总原则就是实用且尽量降低成本，说起化学性质无害又能满足目标温度范围需要、本体还不至于太重的物质，非水莫属。这种常见得不能再常见的液体当然也就获得了项目组的青睐。
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正在接受热环境测试的帕克探测器绝热罩与太阳能电池板冷却系统。（图片来源：NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman）
关于帕克探测器太阳能电池板的设计，在此还想多扯几句。直到本文写成之时，Wikipedia仍将这套系统描述为“a dual system of solar panels”，称其分为主副两对，主电池板只在远离太阳时展开，而面积小得多的副电池板带有制冷系统，用于近日点飞掠。但这个设计实际是在差不多10年前提出的预研方案，最终并未被采纳。
现已建成的这架探测器只设一对电池板，每块各分为主副两区，之间以固定角度相连，其中只有翘起的副区才会在近日点附近接收阳光。Wikipedia的相关词条是又一个将早年参考文献过分当真的典型……要知道帕克的建造也不过是近两三年的事情，在工程领域，对年代过于久远的文献绝对要慎重处理，尤其是写成于正式开工前较长时间的文档，随意引用的风险真的很大！
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2008年发表的帕克探测器设计结构图，两侧的黑色矩形是主电池板，左侧主电池板上方蓝紫色矩形小结构就是当年设想的副电池板之一。（图片来源：Landis & Smith 2008）
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帕克探测器建成后的实际结构图，可见只保留了一对电池板，其外侧稍稍翘起的部分就是过近日点前后仍需工作的副区，但图中描绘的是电池板在远日点附近全面展开的形态。（图片来源：JHUAPL）
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NASA将发射探测器 “触摸”太阳
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如果一切顺利，帕克太阳探测器将与太阳动力学观测台、范艾伦探测器以及其他太阳观测卫星一起，搭建起针对太阳的多层次监测网。
这将是人类第一次有机会从太阳活动的源头上进行采样，并真切体会与星相伴的生活，其中可能蕴涵的新知让人期待，背后所代表的勇气更是令人激赏，祝她一路顺利。
文章作者：Starfighter
视频作者：中国科普博览
视频顾问：北京大学地球与空间科学学院 何建森研究员哈尔滨工业大学（深圳） 李会超
出品：科普中国
监制：中国科学院计算机网络信息中心 谢邀。帕克号防热罩是个直径2.4米的三明治结构，外表是碳-碳复合物，类似于网球拍的材料，里面包裹着10厘米厚的碳泡沫，其中97%的成分是空气。帕克拥有冷却阵配合防热罩进行工作。当水经过太阳能电池时被加热，再经过散热器冷却，循环往复。而为了确保帕克号的装置始终“躲在”防热罩后，安装在防热罩阴影边缘的7个太阳传感器能在探测器与地球无法联系的时间段监控故障，自动校准探测器的路线和朝向。
当然，温度和热度是两个概念，热涉及到能量转移的过程。帕克号能在上百万摄氏度的日冕层中存活的重要背景因素，是日冕层中高温等离子体的密度其实比较稀疏，探测器的飞行速度又很快，实际接受的能量仍能保持在可控的范围。 根据之前的一些新闻来看，帕克的热防护系统差不多能耐受住1600K的温度，而日冕层由于密度非常低，所以他这个百万K的高温实际上传递给探测器的热能依旧在可以承受的范围内。
简单来讲，最终煮熟食物的是能量而不仅仅是温度。
......
等一下，怎么又是怎么评价的问题？
美帝掌握核心科技呗。
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