15 帕克號的太陽之吻
在過去的數十年時間裏，人類發射了許多深空探測器，對月球、火星甚至是太陽係邊緣的冥王星、柯伊伯帶都進行了一係列的研究，唯獨沒有近距離訪問過太陽。是人類對太陽沒有興趣嗎？當然不是。其實，早在1958年NASA成立之初，科學家們就把探測太陽列為必須完成的科研任務之一。但是，那麽多年過去了，近距離訪問太陽卻成了當年清單裏唯一沒有實現的願望。
2018年，距離哥白尼提出日心說已經過去了475年。北京時間8月12日下午3點31分，美國佛羅裏達州卡納維拉爾角空軍基地，運載著帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）的德爾塔Ⅳ型重型火箭發射成功，隨後順利完成火箭分離，帕克太陽探測器脫離地球引力進入預定軌道。這個太陽探測器預計在未來7年中，完成在這之前不可能完成的任務。
帕克太陽探測器將要抵達的地方是此前人類想都不敢想的。那裏距離太陽僅為612萬千米，是水星軌道半徑的1/10，相當於4.4個太陽直徑。估計聽到這些數字，你依然沒有直觀的感受。我這麽打比方：假如地球飛到那個位置，我們看太陽，會發現它的視麵積增大了約600倍。
在這麽近的距離上，你或許會以為太陽的高溫炙烤是對探測器的最大考驗。沒錯，對於探測器來說，高溫確實是一項嚴峻的考驗。但是比高溫更可怕的卻是另外一樣東西，而發現這樣東西的不是別人，正是用以命名探測器的尤金·帕克（Eugene Parker）。曆史上頭一回，NASA以在世科學家的名字作為任務的正式名稱，這是給尤金·帕克老爺子最好的90歲生日禮物。
1958年，帕克還是一位30歲出頭、熱愛天體物理學的美國芝加哥大學研究員。他從小就喜歡靜靜地坐在書桌前，寫寫方程式，試圖理解宇宙中的天體是如何相互作用的，我們在地球上所知道的一切是如何演算出來的。那段時間，他的注意力在太陽身上。通過對一個描述從太陽到太陽係邊緣等離子體的流體力學方程的演算，他驚奇地發現：太陽大氣層並不是靜止的，而是在高速運動著。太陽外部大氣層（日冕）的超高溫會讓粒子衝破太陽的引力束縛，向太陽係各個方向釋放。這種日冕膨脹的現象後來被他命名為“太陽風”。這個發現是驚人的。因為在此之前，大多數人認為太陽和地球之間空空如也，沒有任何東西，也不可能有什麽風可以超音速從太陽一直吹到地球。
這位研究員激動地把這些發現寫成論文，可是接下來的事情讓他非常憋屈。由於太陽風的發現與大多數人的認知不一樣，論文的發表遭受到了重重困難和極大的爭議。幸運的是，這位年輕人的運氣非常好，他的理論在4年後就得到了證實，包括美國水手2號、蘇聯月球號等多個探測器都探測到了太陽風。
太陽風的發現讓科學家們興奮不已。在接下來的幾十年裏，人類發射了一係列太陽探測器，如太陽神號、SOHO號、尤利西斯號。但如今60年過去了，長期折磨著太**理學家的兩大謎團仍然懸而未決。
謎團一：為什麽太陽的表麵溫度遠遠低於日冕的溫度？
太陽的表麵溫度約為6000℃，但日冕的溫度竟然超過了100萬℃。就像你參加了一個夜間篝火晚會，在篝火旁你覺得溫暖，但當你遠離篝火時，溫度不降反升。這個現象很奇怪，科學家們一直在試圖弄明白這是怎麽回事。
謎團二：太陽風是如何被加速到超音速的？
太陽風的速度達到了400—500千米／秒。然而令人驚奇的是，在靠近太陽表麵的地方，並沒有任何明顯的強風存在。因此可能存在一些未知因素，使太陽風獲得了極高的加速度。NASA戈達德航天中心的科學家亞當·薩博（Adam Szabo）認為，我們已經發現太陽風50多年了，但是太陽風到達地球時已經改變了很多。隻有通過對太陽的近距離研究，我們才能知道太陽的哪個部分為風粒子提供了能源，以及它們是如何加速到如此驚人的高速度的。
因此，為了進一步解開謎團，我們需要更近距離地探測太陽。那我們有沒有可能像隼鳥2號探測小行星龍宮那樣，在上麵撞個坑呢？你想什麽呢！太陽的表麵相當於一個每秒鍾爆炸千億顆氫彈的地方。能靠近它不被燒毀就已經謝天謝地了。
距離太陽越近，太陽風就越強烈，這些高能粒子會像暴雨梨花針一樣撒向探測器，想抵禦太陽風的侵襲，談何容易啊！最大的難題就是如何製造出一枚能抵禦高溫和強烈太陽風的盾牌。
為此，約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室項目組向NASA貢獻了一塊白色盾牌。這塊盾牌的官方叫法是“熱防護係統”（Thermal Protection System,TPS），直徑2.43米，厚11.4厘米，它的頂部是一層反射光的氧化鋁塗層，裏麵是兩塊碳板夾著一層碳／碳複合材料泡沫。僅僅靠這11.4厘米，大概隻有一本百科全書厚的防熱盾保護，背後的科學儀器就可以在周圍1400℃高溫的環境裏始終處於30℃左右的室溫裏。
這麽厲害的材料是怎麽被發現的呢？有些事情說起來就是那麽湊巧。1958年，也就是尤金·帕克發現太陽風的那年，美國錢斯·沃特（Chance Vought）航空公司實驗室因為一次偶然失誤，獲得了意外的發現。當時，實驗室正在測定碳纖維在有機基體複合材料中的含量，由於實驗過程中的操作失誤，有機基體沒有被氧化，反而被熱解，於是得到了碳基體。實驗室隨後驚喜地發現這種複合材料具有的特殊結構特性。就在那時，碳／碳複合材料誕生了。科學史上有很多重要的發現或者發明都是源於類似的偶然失誤。
這種碳／碳複合材料具有低密度、高比強(1)、高比模量(2)、低熱膨脹係數等一係列優異性能。尤其在1000℃—2300℃的區間，隨著溫度升高，其強度不降反升，是航空航天領域非常理想的超高溫結構材料。但在最初10年，碳／碳複合材料技術發展得極為緩慢，經過了20多年技術的更新迭代，與之有關的研究和應用才逐漸活躍起來。20世紀80年代初，碳／碳複合材料被正式運用到了航天飛機筆錐帽和機翼前緣。
但是，碳／碳複合材料有一個致命的弱點：它在高溫氧化性環境中極易發生氧化反應。實際上，碳／碳複合材料在空氣中超過370℃就會開始氧化，這極大地限製了它作為高溫結構材料的應用。後來，科學家們研發了抗氧化塗層，使碳／碳複合材料能夠在更高溫的環境中工作。而且，由於許多深空探測任務得持續好幾年甚至更長的時間，抗氧化塗層體係從一開始的玻璃、金屬、陶瓷等單一材質，不斷更新換代到碳化矽、氮化矽、氧化鋁等複合結構。複合塗層可以在1650℃以下較長時間地保護碳／碳複合材料。
每一項重大發現創造的背後，都凝聚著一代科學家的智慧與辛勞。盡管我們有了碳／碳複合材料和複合抗氧化塗層，熱防護係統的開發還是耗費了項目組接近10年的時間。但不得不說，碳／碳複合材料的出現直接催生了近距離探測太陽這個偉大工程。
不過，有了合適的盾牌材料不代表就能製造出一個能與太陽“接吻”的探測器，太空飛行所要麵對的各種複雜情況層出不窮。除了盾牌，帕克號還有下麵這些黑科技。
帕克號有一套超級智能的自動姿態控製係統。假設防熱盾牌是一把傘，太陽釋放的熱能是從天而降的雨，為了避免被淋濕，撐傘的人必須時刻控製傘的角度。但帕克號畢竟是一個無人探測器，通信時延有17分鍾左右，且太陽輻射對信號傳遞幹擾極大，這意味著帕克號必須足夠智能和靈活。為此，科學家們在帕克號被盾牌遮擋的科學儀器尾部的各個角落都安裝了熱傳感器。一旦傳感器檢測到熾熱感，那一定是防熱盾沒遮好，帕克號就會自動調整姿勢。
為了防熱，隻有上麵的雙重保險還不夠。帕克號的電池板也具有冷卻係統，係統中的冷卻液是水。對，你沒聽錯，是水。水從太陽能電池板背麵流過時被加熱，然後流進散熱器時冷卻，如此循環流動，能夠將探測器受到的太陽輻射熱量散發到太空之中。這是人類頭一次在宇航器中使用此項技術設備。
這個能夠與太陽“接吻”的探測器將成為人類有史以來最接近太陽的人造衛星。它將在7年時間裏，環繞太陽24圈。第一次飛越近日點發生在2018年11月5日，距離太陽35.7個太陽半徑，打破太陽神2號於1976年創下的距離太陽62.4個太陽半徑的紀錄。並將於2024年12月19日第一次近距離飛越近日點，在任務的最後幾圈，最接近太陽時距離太陽表麵將隻有612萬千米。
這段距離約為水星軌道半徑的1/9、地球距離太陽最近距離的1/24、太陽半徑的8.85倍。假如我們把地球到太陽的距離縮短到1米，那麽帕克號距離太陽就是0.04米。這差不多就已經到太陽的日冕層了。所以我才會說，帕克號是與太陽接吻。
由於如此接近太陽，帕克號探測器也將成為史上最快的人造航天器。有多快呢？在告訴你具體數據之前，我們先聊聊帕克號的飛行軌道設計。帕克號探測器會按照精妙設計的大橢圓偏心率軌道，7次飛掠金星，借助金星的引力彈弓效應調整速度。
這聽上去似乎和發射空間探測器采用的普遍策略差不多。自從俄國數學家尤裏·康德拉圖克（Yuriy Vasilievich Kondratyuk）在1918年提出了“引力彈弓”的設想後，科學家便開始嚐試利用行星的引力作為“跳板”實現加速，以縮短星際航行的時間。利用引力彈弓效應加速，大多數人都不陌生，尤其是在《流浪地球》上映後。但是，可能很多人不知道，引力彈弓效應不僅僅隻能用來加速。
帕克號利用金星引力的目的不是加速，而是恰恰相反。為了防止探測器受太陽巨大引力的影響、一頭栽進太陽大氣出不來，帕克號將利用金星引力進行類似“彎道刹車”的動作，實現減速和降軌操作。
這是因為帕克號實在是快得驚人。它的預計速度最高能達到200千米／秒，遠超太陽神2號曾經創下的70千米／秒的紀錄。帕克號用這個速度隻需不到3.3分鍾即可繞地球一圈了。
值得一提的是，如此複雜精妙的軌道設計方案來自一位華裔女科學家——約翰斯·霍普金斯大學研究員郭延平博士。不僅如此，她還是2006年飛向冥王星的新視野號探測器的軌道設計者。實際上，在深空探測或者其他天體物理學領域，還有許許多多像郭延平博士一樣的女性科學家投入其中，做出了卓越的貢獻。
對於太**理學而言，帕克號堪稱是哈勃望遠鏡級別的任務，是體現人類航天技術最高水準的經典科研項目之一。對我而言，帕克號更像是一名攻防有術的逐日勇士。如果說三重防熱係統是帕克號防守的羅馬盾牌，那麽在防熱係統下麵那些高端大氣上檔次的科學儀器，則是勇士手中蓄勢待發的四把“利劍”，每一把“利劍”都對應著一項重要使命。
利劍一：太陽風粒子探測儀（SWEAP）。用於收集和測量太陽風中的電子、質子、氦離子等各種粒子的方向、能量、溫度、密度、速度等特性，使我們更清楚地了解太陽風裏有什麽。
利劍二：太陽探測廣域成像儀（WISPR）。它能像醫學掃描儀那樣，對日冕、太陽風和太陽周圍空間的激波進行三維成像。而且，前方遮擋的防熱盾正好創建了一個人工日食，可以完美地捕捉最清晰、最壯麗的日冕結構。
利劍三：電磁力計（FIELDS）。它可以對穿越太陽大氣等離子體的電場和磁場、無線電輻射、等離子體的絕對密度和電子溫度進行直接測量。
利劍四：太陽集成探測儀（IS⊙IS）。用於檢測太陽風中高能粒子的動力學機製，它將告訴我們這些高能粒子從哪裏來、如何被加速，以及如何被傳播到日光層。
三重防熱係統組成的“金鍾罩”，加上四把科學儀器利劍，組裝成了帕克太陽探測器。探測器的外形像一個大花瓶，和一輛豐田漢蘭達SUV差不多大。
帕克號於2018年8月成功發射，隨著帕克號一起飛向太陽的，還有一張儲存著尤金·帕克照片和論文的記憶卡，以及幾百萬人的名單。感謝帕克號，這幾百萬幸運兒實現了“想飛上天，和太陽肩並肩”的願望。
帕克號的任務壽命隻有7年。
在這7年中，它將環繞太陽24圈，一圈比一圈更接近太陽。在撰寫本章文稿的時候，它已經完成了頭3圈的繞日飛行，3次在近日點與太陽會麵。由於通信係統的優異表現，帕克號傳回了22千兆的科學數據，這比之前預期的要多50%。難怪任務運營負責人尼克勞斯·平金（Nickalaus Pinkine）稱讚帕克號為“出色的孩子”。2025年6月14日，帕克號預計將最後一次飛掠近日點。
在這7年裏，帕克號將完成帕克老先生未竟的事業——解釋日冕反常高溫和太陽風加速現象的額外能量從哪裏來。帕克號也會為人類揭開無數關於太陽的秘密，這些知識會讓我們對恒星有更深入的認識。
正如卡西尼號墜入土星大氣層、麥哲倫號墜入金星大氣層那般，待燃料耗盡，帕克勇士將永遠失去盾牌的保護。為太陽而生的帕克號，最終將成為太陽的一部分。
《悟空傳》中有段對話耐人尋味：
“大聖，此去欲何？”
“踏南天，碎淩霄。”
“若一去不回……”
“便一去不回！”
(1)比強：工程中，結構的最大承載力與所耗材料重量的比。
(2)比模量（specific modulus）：材料性質，指單位密度的彈性模量。