如何评价人类历史上最勇敢的追日者——帕克太阳探测器？

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北京时间 8 月 12 日 15 时 31 分，以著名太阳物理学家帕克命名的帕克太阳探测器乘坐德尔塔-IV重型火箭再加 STAR 48BV 固推上面级，远赴恒星太阳。探索太阳风的形成之秘和日冕层反常增温现象。
这将是人类历史上距离太阳最近的一次触摸，将深入太阳的日冕层，承受 2000000 摄氏度的粒子烘培。（据NASA计算，由于日冕层粒子浓度接近真空，实际上要承受的温度为 1400 摄氏度）
如何评价这次的行动？15 亿美元的投入，将会有哪些可观的科学成果呢？
（图片来源于新浪）

完成了之前不可能的任务

在过去的数十年时间里，人类发射了许多深空探测器，对月球、火星甚至是太阳系边缘的冥王星、柯伊伯带都进行了一系列的研究，唯独没有近距离访问过太阳。是人类对太阳没有兴趣吗？当然不是，其实，早在 1958 年美国宇航局 NASA 成立之初，科学家们就把探测太阳列为必须完成的科研任务之一。但是，那么多年过去了，近距离访问太阳却成了当年清单里唯一没有实现的愿望。
2018 年，距离哥白尼提出日心说已经过去 475 年，北京时间 8 月 12 日下午 3 点 31 分，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，运载着帕克太阳探测器的的德尔塔 4 重型火箭发射成功，随后顺利完成火箭分离，脱离地球引力进入预定轨道。这颗太阳探测器预计在未来 7 年中，完成在这之前不可能完成的任务。
最接近太阳的探测器

帕克太阳探测器将要抵达的地方是此前人类从未敢想过的地方，那是距离太阳仅为 612 万公里的地方，是水星轨道半径的十分之一，相当于 4.4 个太阳直径。我估计大多数人听到这些数字，依然没有直观的感受。我们这么打比方，假如地球飞到那个位置，我们看太阳，会发现它的视面积增大了约 600 倍。



图：原始大小



图：放大 600 倍

在这么近距离上，或许大多数人会以为太阳的高温炙烤是对探测器最大的考验。没错，对于探测器来说，高温确实是一项严峻的考验。但是比高温更可怕的却是另外一样东西，而发现这样东西的不是别人，正是用以命名探测器的尤金·帕克（Eugene Parker）。
以尤金·帕克老爷子命名

人类历史上头一回，NASA 以在世科学家的名字作为任务的正式名称。这是尤金·帕克老爷子收到最好的 90 岁生日礼物。
1958 年，在美国芝加哥大学，帕克还是一位 30 岁出头、热爱天体物理学的研究员。他从小就喜欢静静的坐在书桌前，写写方程式，试图理解宇宙中的物理是如何工作，我们在地球上所知道的一切是如何演算出来的。那段时间，他的注意力在太阳身上，通过一个描述从太阳到太阳系边缘等离子体的流体力学方程的演算，他惊奇的发现：太阳大气层并不是静止的，而是在高速运动。太阳外部大气层，也就是日冕，它的超高温会让粒子冲破太阳的引力束缚，向太阳系各个方向释放。这种日冕膨胀的现象后来被他命名为“太阳风”。这个发现是惊人的，因为在此之前，大多数人认为太阳和地球之间空空如也，没有任何东西，也不可能有什么风可以超音速从太阳一直到地球。
这位研究员激动地把这些发现写成论文，可是接下来的事情让他非常憋屈。由于太阳风的发现与大多数人存在的认知不一样，论文的发表遭受到重重困难和极大争议。幸运的是，这位年轻人的运气非常好，他的理论在四年后就得到了证实，包括美国水手 2 号、苏联月球号等多个探测器都探测到了太阳风。
太阳风的发现让科学家们兴奋不已。在接下来的几十年里，人类发射了一系列太阳探测器，如太阳神号、SOHO 号、尤利西斯号。但如今 60 年过去了，长期折磨着太阳物理学家的两大谜团仍然悬而未决。
或许能揭开两个长期折磨着太阳物理学家的谜团

• 谜团一，为什么太阳的表面温度远远低于太阳的日冕？
  

我们都知道，太阳非常热，表面温度约为 6000 摄氏度，但日冕的温度竟然超过了 100 万摄氏度。就像你参加了一个夜间篝火晚会，在篝火旁你觉得温暖，但当你远离篝火时，温度不降反升。这个现象很奇怪，科学家们一直试图弄明白这是怎么回事。



图：日冕

• 谜团二，太阳风是如何被加速到超音速的？
  

太阳风的速度达到了每秒 400-500 公里。然而令人惊奇的是，在靠近太阳表面的地方，并没有任何明显的强风存在。因此可能存在一些未知因素，使太阳风获得了极高的加速度。NASA 戈达德航天飞行中心的科学家亚当·萨博（Adam Szabo）认为，我们已经发现太阳风 50 多年了，但是太阳风到达地球时就已经被改变了很多。只有通过对太阳的近距离研究，我们才能知道太阳的哪个部分为风粒子提供了能源，它们是如何加速到如此惊人的高速度。
所以啊，为了进一步解开谜团，我们需要更近距离地探测太阳。那我们有没有可能像隼鸟 2 号探测龙宫星那样，在上面撞个坑呢？你在想什么呢！太阳相当于是一个表面每秒钟爆炸千亿颗氢弹的地方。能靠近它不被烧毁就已经是飞机上拉肚子，谢天谢地了。
距离太阳越近，太阳风就越强烈，这些高能粒子会像暴雨梨花针一样撒向探测器，想要抵御太阳风的侵袭，谈何容易啊。最大的难题就是要制造一枚能抵御高温和强烈太阳风的盾牌。
究极之盾

为此，约翰霍普金斯大学应用物理实验室项目组向 NASA 贡献了一块白色盾牌。这块盾牌的官方叫法是热保护系统（Thermal Protection System, 简称 TPS ），直径 2.43 米，厚 11.4 厘米，它的顶部是一层反射光的氧化铝涂层，里面是两块碳板夹着一层碳/碳复合材料泡沫。



图：工程师正在安装帕克号的热保护系统——隔热罩

仅仅靠这 11.4 厘米，大概就是一本百科全书厚度的防热盾保护，盾牌背后的科学仪器就可以在周围 1400 摄氏度高温的环境里始终处于 30 摄氏度左右的室温下。
这么厉害的材料是怎么被发现的呢？有些事情，说起来就是那么凑巧。1958 年，也就是尤金·帕克发现太阳风的那年，美国钱斯沃特（Chance Vought）航空公司实验室因为一次偶然失误，获得了意外的发现。
当时，实验室正在测定碳纤维在有机基体复合材料中的含量，由于实验过程中的操作失误，有机基体没有被氧化，反而被热解，于是得到了碳基体。实验室随后惊喜的发现这种复合材料具有的特殊结构特性，也就在那时，碳/碳复合材料诞生了。科学史上有很多很多重要的发现或者发明都是源于类似的偶然失误。



图：多孔碳基体·SEM

这种碳/碳复合材料具有低密度、高比强、高比模、低热膨胀系数等一系列优异性能，尤其在 1000 摄氏度到 2300 摄氏度区间，随着温度升高，其强度不降反升，是航空航天领域非常理想的超高温结构材料。但在最初十年，碳/碳复合材料技术发展得极为缓慢，经过了二十多年技术的更新迭代，碳/碳复合材料的研究和应用才逐渐活跃起来。八十年代初，碳/碳复合材料正式运用到了航天飞机笔锥帽和机翼前缘。
但是啊，碳/碳复合材料却有一个致命的弱点，它在高温氧化性气氛下极易发生氧化反应。实际上，碳/碳复合材料在空气中超过 370 摄氏度就会开始氧化，这极大地限制了它作为高温结构材料的应用。
后来，科学家们研发了抗氧化涂层，使碳/碳复合材料能够在更高温环境中工作。而且，由于许多深空探测任务得持续好几年甚至更长的时间，防氧化涂层体系从一开始的玻璃、金属、陶瓷等单一材质，不断更新换代到碳化硅、氮化硅、氧化铝等复合结构。复合涂层可以在 1650 摄氏度以下较长时间的保护碳/碳复合材料。
每一项重大发现创造的背后，都凝聚着一代科学家的智慧与辛劳。尽管我们有了碳/碳复合材料和复合抗氧化涂层，热保护系统 TPS 的开发还是耗费了项目组接近十年的时间。但不得不说，碳/碳复合材料的出现直接催生了近距离探测太阳这个伟大工程。
不过，有了合适的盾牌材料不代表就能制造出一颗能与太阳接吻的探测器，太空飞行所要面对的各种复杂情况层出不穷。除了盾牌，帕克号还有哪些黑科技呢？
被动技能：姿态调整

帕克号有一套超级智能的自动姿态控制系统。怎么个超级智能法呢？



图：帕克号结构示意图

假设防热盾牌是一把伞，太阳释放的热能是从天而降的雨，为了避免被淋湿，撑伞的人必须时刻控制伞的角度。但帕克号毕竟是一颗无人探测器，通信时延有 17 分钟左右，且太阳辐射对信号传递干扰极大，这意味着帕克号必须足够智能和灵活。为此，科学家们在帕克号被盾牌遮挡的科学仪器尾部各个角落都安装了热传感器，一旦传感器检测到炽热感，那一定是防热盾没遮好，帕克号就会自动调整姿态。
太空冷却水

为了防热，光双重保险还不够，帕克号的电池板也具有相应的冷却系统。这套系统的冷却液是水，对你没听错，是水。水从太阳能电池板背面流过时被加热，然后流进散热器时冷却，如此循环流动，能够将探测器受到的太阳辐射热量散发到太空之中。这是人类宇航器中头一次使用此项技术设备。
与太阳“接吻”

这颗能够与太阳接吻的探测器将成为人类有史以来最接近太阳的人造卫星。
它将在未来 7 年时间里，环绕太阳 24 圈。第一次飞越近日点发生在 2018 年 11 月 1 日，距离太阳 35.7 个太阳半径，打破太阳神 2 号于 1976 年创下的 61.4 半径的纪录。并将于 2024 年 12 月 19 日第一次近距离飞越近日点，在任务的最后几圈，最接近太阳时距离太阳表面将只有 612 万公里。

• 这段距离约为水星轨道半径的 1/10。
  
• 地球距离太阳最近距离的 1/21。
  
• 太阳半径的 9.86 倍。
  

假如我们把地球到太阳的距离缩短到 1 米，那么帕克号距离太阳就是 0.04 米。这差不多就已经到太阳的日冕层了。所以我才会说，帕克号是与太阳接吻。
“闪电侠”

由于如此接近太阳，帕克号探测器也将成为史上最快的人造航天器。有多快呢？
在告诉你具体数据之前，我们先聊聊帕克号的飞行轨道设计。帕克号探测器会按照精妙设计的大椭圆偏心率轨道，7 次飞掠金星，借助金星的“引力弹弓”效应调整速度。
听上去这似乎和发射空间探测器采用的普遍策略差不多。自从俄国数学家尤里·康德拉图克在 1918 年提出了“引力弹弓”的设想后，科学家便开始尝试利用行星的引力作为“跳板”实现加速，以缩短星际航行的时间。
利用引力弹弓效应加速，大多数人都不陌生，尤其是在《流浪地球》上映后，但是，可能很多人不知道，引力弹弓效应可不仅仅只能用来加速。
帕克号利用金星引力的目的不是加速，而是恰恰相反！为了防止探测器受太阳巨大引力影响、一头栽进太阳大气出不来，帕克号将利用金星引力进行类似“弯道刹车”的动作，实现减速和降轨操作。
这都是因为帕克号实在是快得惊人，预计速度最高达到 200 千米每秒，远超曾经的纪录保持者太阳神 2 号创下的 70 千米每秒。用这个速度只需要不到 3.3 分钟即可绕地球一圈了。
郭延平

值得一提的是，如此复杂精妙的轨道设计方案来自一位华裔女科学家——约翰霍普金斯大学研究员郭延平博士，不仅如此，她还是 2006 年飞向冥王星的新视野号探测器的轨道设计者。实际上，在深空探测或者其他天体物理学领域，还有许许多多像郭延平博士一样的女性科学家投入其中，做出了卓越的贡献。
四把“利剑”

对于太阳物理学而言，帕克号堪称是哈勃望远镜级别的任务，是体现人类航天技术最高水准的经典科研项目之一。对我而言，帕克号更像是一名攻防有术的逐日勇士，如果说三重防热系统是帕克号防守的罗马盾牌，那么在防热系统下面那些高端大气上档次的科学仪器，则是他手中蓄势待发的四把“利剑”！
每一把“宝剑”都对应着一项重要使命。

• 太阳风粒子探测仪（SWEAP）用于收集和测量太阳风中各种粒子的方向、能量、温度、密度、速度等特性，使我们更清楚的了解太阳风里有什么。
  
• 太阳探测广域成像仪（WISPR）能像医学扫描仪那样，对太阳日冕、太阳风和空间周围的激波进行三维成像，而且前方遮挡的防热盾正好创建了一个人工日食，可以完美地捕捉最清晰、最壮丽的日冕结构。
  
• 磁力计（FIELDS）对穿越太阳大气等离子体的电场和磁场、无线电辐射、等离子体的绝对密度和电子温度进行直接测量。
  
• 太阳集成检测仪（ISOIS）用于检测太阳风中高能粒子的动力学机制，它将告诉我们：这些高能粒子从哪里来，如何被加速，以及如何被传播到日光层。
  

三重防热系统组成的金钟罩，加上四把科学仪器宝剑，组装成了帕克太阳探测器，外形像一个大花瓶，和一辆丰田汉兰达 SUV 差不多大。



图：以太阳为背景的帕克太阳探测器数字模型。来源：维基百科

2018 年 8 月，帕克号成功发射，一同随着帕克号飞向太阳的，还有一张记忆卡，里面储存着尤金·帕克的照片和论文，以及几百万人的名单。感谢帕克号，这几百万幸运儿实现了“想飞上天，和太阳肩并肩”的愿望了。
帕克号的任务寿命只有 7 年。
在这 7 年中，它将环绕太阳 24 圈，一圈比一圈更接近太阳。在撰写本期文稿的时候，它已经完成了头三圈的绕日飞行，三次在近日点与太阳会面。由于通信系统的优异表现，帕克号传回了 22 千兆的科学数据，这比之前预期的要多 50% 呢。难怪任务运营负责人，尼克劳斯·平金（Nickalaus Pinkine）称赞帕克号为“出色的孩子”！
感兴趣的听众可以留意 NASA 官网，这 22 千兆的珍贵数据将于 2019 年圣诞节前公布。按计划，帕克号会在 2019 年 12 月再次实施“引力弹弓”，四度掠日时的轨道高度相比前三次大约降低 450 万公里。2025 年 6 月 14 日，帕克号预计将最后一次飞掠近日点。
揭秘太阳

在这 7 年里，帕克号将完成帕克老先生未尽的事业——解释日冕反常高温和太阳风加速现象的额外能量从哪里来。帕克号也会为人类揭开无数关于太阳的秘密，这些知识会让我们对于恒星有着更深入的认识。
“若一去不回……便一去不回！”

正如卡西尼号坠入土星大气层、麦哲伦卫星成为金星的一部分那般，燃料耗尽后，帕克勇士将永远失去盾牌的保护。为太阳而生的帕克号，最终将成为太阳的一部分。



图：卡西尼号坠入土星大气层

《悟空传》中有段对话耐人寻味：
“大圣，此去欲何？”
“踏南天，碎凌霄。”
“若一去不回……”
“便一去不回！”
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怎么评价？当然是请请制造它的人（之一）来评价啦 (˃̶͈̀௰˂̶͈́)
<hr/>非常有幸能生在这个时代，帕克太阳探针号的数据将会是我未来五年主要研究的对象！
（没想到吧，其实NASA很多任务背后的数据分析任务都有中国人的身影(●'◡'●)比如MAVEN组里就有三个科大校友，THEMIS/ARTEMIS组里也有不少科大和北大的校友，INSIGHT组里也有两个科大的校友，等等等等）
我的研究生导师之一恰好就是帕克太阳探针号的理论组的首席科学家（Marco Velli）。今年四月份的时候我去了一趟UCLA，顺带采访了一下我的导师，采访问题是（当时）刚刚发射的帕克太阳探针号的科学目标是什么，以下是采访视频：

帕克太阳探针号的科学目标
https://www.zhihu.com/video/1175119036416958464
顺带一提，现在帕克太阳探针号的已经绕了太阳快3圈了，一大波初步的科学结果即将袭来（著名的The Astrophysical Journal将会出一期特刊来介绍帕克太阳探针号的初步结果），让我们拭目以待！

【太阳任务】短片精华版
https://www.zhihu.com/video/1050341254310821888
2018年7月太空总署要展开史上第一次远征恒星的任务，这个历史性任务将要探索太阳系的最后疆界：太阳。任务使用的太空船每小时可以前进四十五万里，这将会是有史以来速度最快的人造物体。
帕克太阳探测器的探测任务预计结束时间为2025年6月，在今后7年任务中，探测器将绕日飞行24圈，最后还将飞进太阳的“大气层”，最接近太阳的时候，它距离太阳的表面只有约616万公里。如果地球与太阳的距离是一米，那么这个探测器最接近太阳的时候，双方距离就只有四厘米。
据美国科技网站The Verge报道，“帕克”探测器若成功发射并抵达工作轨道，其“逐日之旅”将创造三项人造航天器历史：
一是“帕克”太阳探测器将成为人类有史以来飞行速度最快的航天器。二是成为人类历史上最耐高温的太阳探测器。三是人类最靠近太阳的航天器，“帕克”太阳探测器将首次抵达太阳的大气层。太阳是目前人类唯一有能力接近的恒星。
值得一提的是，该探测器是首个以健在的人物命名的太空任务。现代太阳风和磁重联理论的奠基人、美国科学院院士尤金·帕克(Eugene Parker)于1958年首次预测太阳风的存在。此次任务将证实帕克的预言。并彻底颠覆我们对太阳的理解。
视频来源：國家地理 National Geographic

谢邀…

原计划于北京时间2018年8月11日下午发射的NASA的帕克太阳探测器，由于现场故障导致发射延迟，最终于北京时间今天（8月12日）下午3:31在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射成功，之后顺利完成星箭分离、进入预定轨道。
之前我们介绍洞察号的时候曾经提到过，除了今年5月的洞察号火星探测器是在加州范登堡空军基地发射的之外，NASA其他所有的深空探测器都是在卡纳维拉尔角空军基地发射的。



图：搭载帕克号的德尔塔4重型火箭点火。来源：twitter@NASA_LSP

第一个以在世科学家命名的探测器


这颗致力于探索太阳的大气层、磁场和太阳风的帕克太阳号探测器以美国天体物理学家尤金·帕克（1927-）的名字命名。

这是NASA历史上第一颗以还在世的人的名字命名的探测器[1]。
在帕克之前，大多数人都认为太阳的大气层是静止的。是帕克首先发现并于1958年提出太阳大气层并不是静止的，而是在高速运动中；日冕的超高温会让粒子冲破太阳的引力束缚，形成太阳风，释放向太阳系各个角落[2]；而且太阳中发出的这些太阳风和影响彗尾运动的物质是其实同一种。



图：尤金·帕克在1958年发表的几篇重要论文之一。来源[3]

帕克老爷子运气很好。当时适逢探测器时代的兴起，1959-1962年期间，苏联的月球号系列任务、美国的水手2号等多个探测器都探测到了太阳风的存在并做了相关观测。帕克老爷子的一部分理论很快得到了证实，他本人也因此40岁就当选了美国科学院院士。



图：2017年5月31日，尤金·帕克与帕克太阳号探测器的模型，背后是帕克号的logo——“触摸太阳的探测任务”。来源：Scott Olson/Getty

在接下来的几十年里，人类发射了不少太阳探测器，如太阳神号、尤利西斯号、SOHO号，但转眼60年过去了，还有一些重要的问题悬而未决，因为这些探测器离太阳还是太远了。
例如，为什么日冕的温度比太阳表面要高出上百万摄氏度？太阳风是怎么被加速到超音速的？……
这些问题，都需要一颗更强悍的探测器来解答。

最接近太阳的探测器


这颗探测器将以人类有史以来最接近太阳的距离对太阳进行探测：
在任务的最后三圈，帕克号最接近太阳时距太阳表面将只有约600万公里[4]，
这是地球到太阳平均距离（约15000万公里）的1/25，
水星到太阳平均距离（约5800万公里）的1/10。
而在此之前，最接近太阳的探测器是NASA 1976年的太阳神2号探测器，最近时距离太阳4300多万公里。



图：帕克太阳号探测器的预定轨道（红色）。改编自：JH/APL[5]

为了实现如此近距离地“接触”太阳，帕克号探测器采用了当年项目成立时美国运载能力最强的德尔塔4重型火箭（最近被猎鹰重型火箭打破记录）作为运载火箭。因为直接进入目标轨道所需要的能量过大，比较不现实，所以帕克号只能“曲线救国”，7次飞掠金星，借助金星的“引力弹弓”效应实现降轨操作。
而距离太阳如此之近的帕克号，也将成为有史以来速度最快的人造物体，其最高速度将高达200千米/秒，相当于从北京到上海只要5秒。而在此之前的记录保持者，NASA的太阳神2号探测器70千米/秒的最高速度，也将在维持了40余年之后成为历史。
600万公里，这意味着帕克号在近日点附近时最近将到达太阳的日冕，对太阳的大气层和太阳风进行直接的观测和采样分析。
日冕是太阳最外层的大气层，在太阳本体被完全遮住的全日食阶段，我们可以看到日冕的精细结构，这也是全日食中最壮观的景象之一。



图：日全食阶段显现出来的壮丽的日冕结构。来源：刘博洋摄影，已获授权。

值得一提的是，这个实现“触摸太阳”的复杂的轨道，是华裔科学家Yanping Guo设计的，而且她不仅是帕克号的轨道设计和导航项目负责人，也是2006年飞向冥王星的新视野号探测器的轨道设计者。2004年，国际天文联合会（IAU）将28513号小行星命名为Guo，以纪念她为人类探索太阳系所做的杰出贡献。



图：Yanping Guo和她的团队所设计的新视野号的轨道。来源：JHAPL/Ed Whitman

事实上，不管是帕克号、新视野号还是其他很多探测任务，都有无数的女性科学家投入其中，做出了杰出的贡献，下次有机会我们可以专门讲一讲~

地狱之旅：屠龙勇士啊带上你的盾！


炎炎夏日，三四十摄氏度的气温已经让地球上的我们觉得难以忍受了，那帕克号要去往高达一两百万摄氏度的日冕可怎么活啊…
庆幸的是，温度并不等同于热量。实际上，日冕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。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，屠龙勇士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在周围1400摄氏度高温的环境里自身却能保持在舒适的室温下。



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



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

但手持盾牌，就意味着你得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。



图：帕克号的热传感器位置（白圈）。来源：NASA

此外，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。



图：帕克号的冷却系统的位置。修改自：JHU/APL

而且，别忘了前面那张帕克号的轨道图。帕克号是大偏心率轨道，这意味着它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，既劳逸结合，而且也避免了长期处于恶劣环境之中。

深入虎穴，手持利刃


面对艰险的环境，轻车简从的帕克号只带了四把武器（科学仪器）[6]：
FIELDS电磁力计、WISPR广角相机、SWEAP太阳风粒子探测仪、ISʘIS集成探测仪。




图：帕克号的四把“宝剑”。改编自：JHU/APL

1、FIELDS电磁力计（加州伯克利大学太空科学实验室设计研发）
用于测量太阳大气层中的电磁场。
其中四根2米长的天线直接从防热盾的四周延伸开来，可以通过调节模式来分别测量快太阳风和慢太阳风的性质——对，你没看错，这意味着这四根天线将和隔热盾一起完全暴露在最高1400摄氏度的高温下，因此它是用抗高温材料铌合金制成的。
另外还有一根磁力计天线（天线上栓了三个拳头大小的磁力计），像尾巴一样拖在帕克号身后，会完全被防热盾保护起来。
2、WISPR广角相机（海军研究实验室太阳和太阳物理分部设计研发）
WISPR相机只有鞋盒大小，用于对日冕和太阳风的大尺度结构直接拍照成像。在如此近的距离，WISPR相机有望拍到更少干扰的日冕结构原本的样子。同时，WISPR相机将成为把大尺度日冕结构和通过其他仪器探测到的具体物理细节联系在一起的桥梁。
WISPR配有两个望远镜成像系统，这部分用的技术和材料完全是常规操作。望远镜棱镜用的BK7玻璃，相机用的CCD传感器，这些都已经通过验证完全能在帕克号所处的极端环境中满足探测需要。



图：WISPR相机的两个望远镜成像系统。来源：NASA

当然，你一定想到了，既然WISPR相机被防热盾挡在身后了，那还能拍到什么吗？确实，防热盾挡住了绝大部分太阳光，但这恰恰让原本相对不明显的日冕变得清晰起来了，就像是“人造日全食”似的。对此，WISPR项目的项目负责人Russell Howard表示：“天然日全食当然很好，但从数据获取的角度来说我更喜欢我们的WISPR相机，毕竟它可以连续工作，7×24小时无休”。



图：WISPR的两个相机预计可以拍到的视角。来源：NASA

3、SWEAP太阳风粒子探测仪（史密松天体物理台和加州伯克利大学太空科学实验室联合设计研发）

用于测量和分析太阳风中各种粒子（电子、质子、氦离子等）的数量、速度、密度、温度等性质，让我们更好地了解太阳风和日冕等离子体里有什么。

SWEAP探测仪有两个部分，一部分叫SWEAP SPC，用于探测；另一部分叫SWEAP SPAN用于分析。
SPC其实就是一个法拉第杯，是一个用来测量带电粒子入射强度的真空金属杯，内部用蓝宝石来隔离各个组件。为了探测从太阳发出的带电粒子，SPC也必须暴露在防热盾之外的1400摄氏度的高温中。



图：SWEAP SPC的位置（红圈），黄圈是下面会讲到的SWEAP SPAN B。改编自：JHU/APL

SWEAP SPAN在帕克号两侧各安了一个（SPAN A+和B），比SPC有更广的视角，可以探测到更多区域，但更重要的是，SPAN可以直接对探测到的粒子根据质荷比进行分类。



图：SWEAP SPAN A+的位置（黄圈），和SPAN B分列帕克号机身两侧。改编自：JHU/APL

位于前侧的SWEAP SPC和分立两侧的SWEAP SPAN A和B，几乎相当于是对帕克号所处空间中太阳风粒子的全方位无死角探测了。
4、ISʘIS集成探测仪（普林斯顿大学、约翰霍普金斯应用物理实验室等多个机构共同设计研发）

发音“ee-sis”，中间那个ʘ代表太阳。ISʘIS的使命是探明日冕和太阳风中各种粒子（电子、质子和离子）的生命周期，告诉我们：
这些粒子是从哪里来的？是如何被加速的？如何从太阳运动到星际空间的？

ISʘIS也有两部分：EPI-Lo和EPI-Hi。海胆一样的EPI-Lo的形态比较独特，八边形的穹顶结构里塞了80个硬币大小的取景器，可以说是“浑身都是眼睛”了。EPI-Hi的设计就超级简洁了，就是三个传感器拼在一起。
EPI-Lo和EPI-Hi分工明确，前者负责低能粒子，后者负责高能粒子，两者分工协作可以把来自日冕和太阳风的各种能量粒子都“扫荡”一遍，包括SWEAP太阳风粒子探测仪探测不到的那些粒子。



图：ISʘIS的两部分。来源：NASA

7年炼狱，热血不凉


帕克号的设计寿命只有7年，在这7年里，它会环绕太阳24圈，一点一点靠近太阳。2025年6月14日，帕克号预计将最后一次（第24次）飞掠近日点。

在这之后，等到燃料耗尽，帕克号终究没有办法再保持自己的盾牌朝向太阳。也就是说，终有一天，帕克号的机身将失去盾牌的保护，被灼热的太阳所烧化，和太阳融为一体。

或许你会不由地想到希腊神话中因为飞得太近而被太阳烧融了翅膀的伊卡洛斯，或者大刘《全频带阻塞干扰》里的万年风雪号。

毕竟追逐太阳，是人类神话和文学作品里永恒的话题之一。
但在那之前，帕克号会为我们，也为帕克老爷子揭开无数关于太阳的秘密。希望帕克老爷子身体健康，不仅成为世界上第一个亲眼看着以自己的名字命名的探测器发射的科学家，也能和我们一起顺利看到这颗探测器展开观测，解开自己发现的谜团的一天。

让我们在“凉爽”的地球上充满期待吧。


91岁的帕克老爷子在现场观看发射
https://www.zhihu.com/video/1012054418279292928


毕竟，
这或许是我们这一代人有生之年唯一一颗能够如此近距离探测的恒星了。
毕竟，
你来人间一趟，你要看看太阳。


致谢
本文感谢知友 @尞祡、@鸑鷟鹓鶵、@天才琪露诺以及我的同事们对本文的建议和帮助~另一方面，由于帕克号推迟了一天发射，因此在本文之前，已有多篇出色的相关科普文章发出，阅读这些文章也给了本文很多润物无声的启发，在此一并致谢。

首发于本人的公众号“永结无情游相期邈云汉”（haibaraemily_planets）


参考资料
[1] NASA | Eugene Newman Parker
https://www.nasa.gov/content/goddard/eugene-newman-parker
[2] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/parker-solar-probe-and-the-birth-of-the-solar-wind
[3] Parker, E. N. (1958). Dynamics of the interplanetary gas andmagnetic fields. The Astrophysical Journal, 128, 664.
[4] Parker Solar Probe: Humanity’s First Visit to aStar
https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-humanity-s-first-visit-to-a-star
[5] http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Journey-to-the-Sun
[6] NASA| Parker Solar Probe Instrumentshttps://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-instruments
[7] “你来人间一趟，你要看看太阳”来自海子的诗《夏天的太阳》

曾经流行过一个著名的笑话：
A：我们的宇航员要在2020年前登陆太阳！
B：太阳那么热，你们怎么去啊？
A：等天黑凉快了再去。
B：你可别撒谎了，太阳落山后根本就找不到了，还去哪儿登陆？


帕克太阳探测器艺术效果图 ©NASA

不过话说过来，NASA真要实现“登陆”太阳了！这就是今天刚发射成功的帕克太阳探测器!（有意思的是时间上的确是当地时间的午夜！）

太阳是太阳系绝对的核心，它自己就占去了太阳系所有质量的99.86%，更是太阳系内能量的源泉。要知道，地球距离太阳1.5亿千米、仅仅获得了太阳辐射能量的22亿分之一，就有了地球上所有的生命。如果地球被叫做人类的母亲，那么太阳就是人类的外祖母，只不过，这个外祖母已经46亿岁了。在关注地球的其他亲兄弟（行星）、表兄弟（矮行星）、孩子们（卫星，小行星）、甚至远房亲戚（彗星）时，人类也一直在研究这个外祖母的秘密，毕竟她繁衍出了太阳系的全部。


太阳系的真实体积大小比例图（距离未按比例），可以一窥太阳庞大的身躯©Wikipedia/NASA

太阳本质上是一个巨大的气团，它们被引力束缚在一起成为一个球型的发光等离子体。它表面并不像地球一样拥有一个坚实的外壳，也不可能实现真正的“着陆”。不过这个探测器将会飞到最近距离太阳仅仅600万千米的地方，相比而言太阳半径大约70万千米，这个距离已经非常接近了。

帕克的这个行为是个什么概念呢？
这大概相当于当你在距离篝火1米的位置(日地距离)取暖已经有点热了，而帕克距离篝火是4厘米。。。。
4厘米大概就这几个字这么长

连全太阳系最牛的水星都距离40厘米远，所以帕克离这么近会特别热！帕克要面对比地球附近强520倍的太阳辐射，在没有保护的情况下温度要高至将近1400度（日冕层的温度高达上百万度，但这只是个热力学概念，并不意味着帕克直面太阳的温度会高达百万度）！
1400度没概念？那你知道中餐大锅爆炒的温度大概是多少不？就那种还会锅上着火的，也就300度以内。
这个难度相当于中国一句古语里说的一样：火中取栗。

所以它需要一层由碳纤维制造而来的复合材料抵御强大的温度，这就是曾经大名鼎鼎的航天飞机曾经使用的材料。而且还得是头部那种最强的可以抵御最高1700摄氏度的那种。这一层厚度11.4厘米、直径为2米多的保护层，将会隔绝绝大部分热量，同时周边布满传感器，以防稍有姿态变化时太阳辐射直抵探测器内部。因而帕克探测器的姿态控制精度要求极高，考虑到地球距离太阳的双向通信时间至少为17分钟、且太阳辐射对信号传递干扰极大，这意味着探测器必须具备超强的自动姿态控制能力。


航天飞机头部热防护材料 ©NASA

光这些还不够，毕竟即便是特制仪器，还是需要降温到不超过160摄氏度。帕克的研制团队专门设计了一套高压水冷系统，是的你没看错，用的是水作为制冷剂。这种完全滤出掉离子、空气的纯水在高压下，沸点在100摄氏度以上，可以满足任务的需求。
工作状态下这种纯水在各个仪器间循环和散热，给仪器们降温冷却到20多摄氏度。考虑到帕克要经历常温（地球上发射时）、极冷（星际空间零下200多度）和极热的巨大温差变化，这套用水冷的系统中隐藏多少黑科技可想而知。
而至于能量来源嘛，太阳能，随便用，毕竟离太阳这么近，真的是取之不尽用之不竭了。。。

还有另外一个极大的难度，如何停到太阳附近？
探测太阳并不容易，轨迹设计上对一个叫做特征能量的值要求很高，这意味着离开地球时它需要达到极高的能量。这一切不仅要依赖现役比较成熟的世界现役最强用于深空探测的火箭德尔塔4重型火箭（在深空探测任务方面近地轨道运力更强的猎鹰重型尚不具备这种能力）、还要额外背负一个固体燃料上面级才能完成，同时帕克探测器还需要瘦身到仅685千克。
飞向太阳过程中，由于太阳引力的巨大作用，距离太阳越近引力加速导致飞行速度越快，距离太阳越远引力减速导致飞行速度越慢，但这产生了一个问题：飞向太阳的航天器根本“停不下来”，因为它们实在太快了相当于直接撞向了太阳的怀抱而毁灭。
也正因如此，对地球内侧、最靠近太阳的行星水星的探测难度其实很大，丝毫不低于探测最远的矮行星冥王星。人类历史上仅仅造访过两次水星、仅实现了一次绕飞。那么对于帕克如何停在距离太阳更近的轨道上（只相当于水星到太阳距离的10%）就是难上加难了，否则就是一次飞蛾扑火般的自杀行动。


帕克的设计轨道 ©NASA

科学家给出的方案是借助引力拖车，通过大椭圆轨道不断飞掠金星。金星与地球体积相当引力也较大，在飞掠它时金星会极大影响帕克的速度大小和方向，通过反复飞掠巧妙设计轨道就可以使帕克避免撞入太阳。从帕克从地球出发到连续七次飞掠金星调整轨道，这个过程要持续6年多时间！
由于最靠近太阳，帕克探测器也因此将会成为人类历史上最快的飞行器，最高达到200千米/秒，远远超过曾经的记录保持者-德国的太阳神2号太阳探测器-当时它创造的记录是70千米/秒。
就这么说吧，人类最快的交通工具是民航客机，速度大约是250米/秒，帕克将比民航客机快800倍，从纽约到北京（12000千米左右）大概只需要1分钟时间。这个轨道控制难度和精细程度可想而知。
为了能将数据顺利传回地球，帕克探测器需要保持这种独特的椭圆轨道，否则过于接近太阳阶段会极大受到太阳辐射干扰、难以跟地球进行联系，而只能在较远距离进行数据沟通。

可以说，帕克的姿态控制和轨道设计方案，是体现人类航天技术最高点的经典科研项目之一。

帕克的传奇还不止如此，它还是人类历史上唯一以在世的科学家名字命名的航天器，像之前的卡西尼、麦哲伦、伽利略都是以历史上故去的名人命名的。
这个人就是著名的美国天文学家尤金·帕克（Eugene N. Parker），在他90年的人生中（1927-），早在40岁时便评上了美国国家科学院院士，现今人类有关太阳的研究成果几乎都与他息息相关，尤其是他在31岁时就写论文预测了太阳风的存在，不过用获奖数字来评价他对人类做出的贡献都是无力的，看看NASA给他的命名荣誉就知道了。


现年90岁的尤金·帕克依然在芝加哥大学任教©Wikipedia

老爷子身体依然安好，他还被特意邀请到了发射现场看着自己“升入太空”飞向人类的外祖母，在耄耋之年任性地疯狂一把！


储存有110万人名的存储卡 ©NASA

此外，伴随他的还有110万个人类，在这个研制、发射、运营费用超15亿美元的项目上，NASA自然不会放过这个极好的科普机会。在此前的征名活动中，先后有110万人注册了自己的姓名，他们的名字被储存在一张存储卡中，与帕克一起前往太阳“火中取栗”。
在可以预见的将来，燃料耗尽后，帕克的轨道将会极难预测。极有可能最终回到太阳的怀抱，太阳系内繁衍出来的最伟大生命，时隔近50亿年，再度回到了创造我们的源泉。

关于其他几个探测器：旅行者（ voyager ）、先锋（ Pioneer ）、新视野（ New Horizons ），我在live中有过详细的介绍和分析：
太阳系的使者漫谈