“帕克太阳探测器”将首次飞入日冕观测太阳

张扬眉（北京空间科技信息研究所）

2018年8月12日，美国国家航空航天局（NASA）用德尔他－4H（Delta－4H）运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地成功发射了“帕克太阳探测器”（Parker Solar Probe）。该探测器是首个飞进太阳日冕进行探测的航天器，其科学目的是研究日冕和太阳风，并对可能影响人类日常生活的空间天气进行预警。

1 “帕克太阳探测器”项目背景

早在1958年，美国国家科学院的辛普森委员会（Simpson Committee）就提出一项旨在探测近太阳粒子和场环境的任务。到了21世纪90年代，NASA规划了“外行星/太阳探测器”（OPSP）计划，该计划最初包括3项任务，即“太阳探测器”（Solar Probe）、“冥王星柯伊伯快车”（Pluto Kuiper Express）和“木卫二轨道器”（Europa Orbiter）。然而，美国前总统小布什在其2003财年预算申请中取消了对该计划的投资，“外行星/太阳探测器”计划就此搁置，但“太阳探测器”任务一直被美国国家学院和NASA认为具有很高的科学优先级。

2009年，NASA对“太阳探测器”之前方案的轨道和载荷设计等方面进行了改进，并将其改名为“太阳探测器+”（Solar Probe Plus，Solar Probe+）。2017年，NASA以著名美国天体物理学家尤金·帕克（Eugene Parker）为该探测器命名，即“帕克太阳探测器”，这是首次以在世的人的姓名来命名一个航天器。尤金·帕克于20世纪50年代提出了太阳风理论，他认为日冕不可能是一团宏观上静止的弥散气体，而应该是一种向外运动的“气流”，即太阳风。此外，他还预测了“帕克”螺旋的存在。尤金·帕克的理论极大地推动了科学界对于太阳的研究，他也于1967年被选为美国国家科学院院士。

“帕克太阳探测器”项目属于NASA的“与日共存”（LWS）计划。该计划由NASA科学任务部的太阳物理学部门管理。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）对“帕克太阳探测器”项目进行管理，并设计、建造和运行该探测器。

2 “帕克太阳探测器”科学目标

根据太阳活动的相对强弱，太阳可分为宁静太阳和活动太阳两种状态。宁静太阳是一个理论上假定宁静的球对称热气体球，其性质只随半径而变，而且在任一球层中都是均匀的，其目的在于研究太阳的总体结构和一般性质。在这种假定下，按照由里往外的顺序，太阳是由核心、辐射层、对流层、光球层、色球层和日冕层构成。光球层之下称为太阳内部,光球层之上称为太阳大气。

太阳结构图

历史上发射过的探测太阳的航天器

一直以来，人们通过对太阳的观测取得两大发现，第一是色球层反常高温现象，即色球层一反太阳内部温度自核心向外逐层递减的趋势，出现了外层温度比内层温度更高的奇怪现象；第二是日冕高速扩散到太空中，形成“太阳风”。基于之前的深空探测器和科学卫星取得的发现，已经获取了有关太阳风的成分、属性、结构等方面的信息，并拍摄了色球层外部的日冕和过渡区的高分辨率图像等，然而仍然有两个问题尚未解决，即日冕反常高温现象和太阳风加速机制。

“帕克太阳探测器”的主要探测目的是为跟踪研究日冕的能量和热量的流动机制，探索太阳风加速的原因，并以统计学的方法研究太阳外层日冕。

“帕克太阳探测器”有3个具体的科学目标：

1）跟踪研究加热和加速日冕及太阳风的能量流；

2）确定太阳风来源处的等离子体和磁场的结构及动力学特性；

3）研究加速并运输高能粒子的机制。

尤其是在“帕克太阳探测器”环绕太阳最后3圈的飞行过程中，将飞到距离太阳表面约9个太阳半径处，即距离太阳6×106km处。在此之前，人类有史以来发射的距离太阳最近的探测器为“太阳神”（Helios）探测器。在距离太阳最近处，“帕克太阳探测器”将以7×105km/h（约195km/s）的飞行速度对太阳进行观测，该速度相当于在1s的时间内从美国费城抵达华盛顿特区。

3 “帕克太阳探测器”性能与参数

“帕克太阳探测器”为六边形棱镜构型，发射质量为685kg，探测器高度3m，最大直径2.3m，探测器平台直径1m。单组元肼推进剂。采用主动冷却太阳电池翼，太阳电池翼总面积1.55m2，在抵达太阳时的功率为388W。0.6m高增益天线，科学数据下行速率在1AU处为167kbit/s。探测器采用耐高温碳复合材料隔热板，厚度约11.5cm，能够承受1377℃的热辐射。探测器任务计划周期为6年11个月。

“帕克太阳探测器”携带4种有效载荷，分别为“场实验装置”（FIELDS）、“太阳综合科学研究”（IS⊙IS）、“太阳探测器宽视场成像仪”（WISPR）、“太阳风电子α和质子”（SWEAP）研究装置。

作为“帕克太阳探测器”任务的一部分，NASA还于2018年3月启动一项姓名征集活动，邀请公众参与报名，将他们的名字存入一张存储卡中，由探测器携带这些名字飞向太阳。

“帕克太阳探测器”后端构型图

“帕克太阳探测器”前端构型图

“帕克太阳探测器”有效载荷

4 “帕克太阳探测器”飞行过程

“帕克太阳探测器”发射后，将在近7年时间内进行7次金星借力飞行，并于2024年抵达太阳附近。完成第一次金星飞越后，探测器将进入周期150天的椭圆轨道（该周期为金星运行周期的2/3）；第二次金星飞越后，探测器运行周期缩短为130天；第三次金星飞越后，探测器运行周期缩短为112.5天；第四次金星飞越后，探测器运行周期为102天；第五次金星飞越后，探测器运行周期为96天；第六次金星飞越后，探测器运行周期为92天；第七次金星飞越后，探测器运行周期变为88～89天，进而以该周期近距离绕太阳运行。

飞抵太阳后，“帕克太阳探测器”将近距离飞入太阳大气层，以7×105km/h的速度，在距离太阳表面6×106km的大椭圆轨道上环绕太阳运行24圈。“帕克太阳探测器”将比以往任何探测器都要接近太阳，最近时距离太阳表面仅6×106km，与太阳的距离只有此前近距离绕太阳运行的“太阳神”探测器的1/7，探测器与太阳的最近距离更是水星与太阳距离的1/10。

“帕克太阳探测器”飞行过程

“帕克太阳探测器”运行计划和太阳电池阵状态

“帕克太阳探测器”发射及计划飞行过程

5 “帕克太阳探测器”的技术特点

探测器采用高性能热防护系统

由于将超近距离观测太阳，“帕克太阳探测器”采用了高性能的隔热罩，即热防护系统（TPS）。该热防护系统直径为2.44m，由两块碳-碳复合板夹着11.5cm厚的轻型碳质泡沫核心。除4副天线和1个特殊的粒子探测器外，所有仪器都处于隔热罩的保护之下。隔热罩本身质量仅为72.6kg，泡沫核心的97%都充满了空气。隔热罩面向太阳的一侧涂有特制的白色涂层，可以反射太阳的能量，尽可能地保护探测器。“帕克太阳探测器”在运行过程中遭遇的太阳辐射约为在地球轨道上遭遇辐射强度的520倍。该防护系统可以在“帕克”近距离绕太阳运行的过程中承受高达约1377℃的高温，从而对探测器平台和仪器进行有效的防护。

测试中的“帕克太阳探测器”

电源系统采用先进的自动冷却技术

在电源系统方面，“帕克太阳探测器”携带了2个独立的太阳电池阵系统。在日心距离较远（超过0.25AU）时，主电池阵运行；在接近太阳时，主电池阵折叠起来置于热防护系统的保护中，同时次电池阵启动。次电池阵包括2个可移动的、液态冷却的高温电池阵。当探测器距离太阳更近时，次电池阵部分收折起来位于热防护系统后方，同时维持稳定的温度和电源输出。此外，次要电源系统还包括一个锂离子电池组。“帕克太阳探测器”的热防护系统最高将承受1377℃的高温，而探测器电源的自动冷却系统能够使得太阳电池阵的温度保持在160℃甚至更低。该冷却系统由应用物理实验室与联合技术航天系统公司（UTAS，制造冷却系统）、索尔航空技术公司（SolAero Technologies，制造太阳电池阵）联合开发。该冷却系统创新性地采用了加压水作为冷却剂，冷却功率为6000W。

分管NASA科学任务部的副局长托马斯·祖步肯说：“‘帕克’将首次飞入太阳大气层的最外层，也就是日冕进行探测活动。借助先进的观测仪器和成像设备，将使我们对日冕的认知发生革命性的变革，同时也将进一步丰富我们有关太阳风起源和演化的知识。在提高空间环境变化的预测能力方面，‘帕克’也将做出重大贡献。太阳活动可能会影响地球上的生命和技术设备，因此对太阳活动进行预测至关重要。”

“帕克太阳探测器”是一个肩负艰巨使命、性能卓越领先的深空探测器，它将首次超近距离飞进日冕，研究日冕反常高温现象以及太阳风的能量传输机制，并发展对空间天气进行预警的能力。探测器将承受比此前任何探测器遭遇到的更为严酷的高温考验，最终“触摸”太阳。