太陽探測器

太陽探測器（Solar Probe，美國航空航天局的太陽探測器，現更名為Solar Probe +）是第一個飛入太陽日冕的飛行器，僅僅位於太陽“表面”（光球）上方8.5 太陽半徑（590萬公里或3.67萬英里）內。

太陽探測器的儀器探測它們遇到的電漿、磁場和波、高能粒子和塵埃。它們也對太陽探測器軌道附近以及日冕底部的偶極結構的日冕結構成像。

基本介紹

• 中文名：太陽探測器
• 外文名：Solar Probe+
• 任務類型：太陽日光物理、軌道
• 製造商：套用物理實驗室
• 發射重量：610 kg
• 乾重量：555 kg
• 火箭：Delta IV Heavy

簡介

對於人類來說，太陽是既熟悉又陌生的星球。為了解答有關太陽的最深層謎團，美國航宇局準備在2018年前發射一個名為SP+的太陽探測器，讓它冒險進入太陽那炙熱的大氣，在被太陽散發的巨大熱量摧毀之前收集地球“母星”的重要信息。

軌跡和任務

太陽探測任務的早期概念設計使用木星的重力輔助操縱來取消從地球發射的探測器的軌道速度，以便落到接近太陽的軌跡上。Solar Probe Plus任務設計通過在金星上使用重複的重力輔助來逐漸減少軌道近日點，從而實現多次通過，達到大約8.5 太陽半徑或大約6,000,000公里（3,700,000英里），從而簡化了這一軌跡。

該任務設計為在太陽附近的惡劣環境中生存，其中通過使用太陽遮蔽物，入射太陽強度約為地球軌道強度的520倍。在太空飛行器前部的太陽能防護罩由增強的碳 - 碳複合材料製成。飛船系統和科學儀器，位於本影盾，其中來自太陽的直射光被完全阻斷。任務的主要功能將是使用光伏陣列的雙系統。用於0.25AU以外的任務的部分的初級光伏陣列在靠近太陽的近處期間縮回到遮蔽物之後，並且更小的次級陣列通過最接近的方式為太空飛行器提供動力。該次級陣列使用泵送流體冷卻以保持操作溫度。

當探頭經過太陽時，它將達到一個高達200公里/秒（120英里/秒）的速度，使其成為最快的人造物體，幾乎是當前記錄保持者Juno的三倍。

科學目標

確定太陽風源處的磁場的結構和動力學。

跟蹤加熱電暈並加速太陽風的能量流。

確定什麼機制加速和運輸高能粒子。

探索太陽附近的塵埃電漿及其對太陽風和能量粒子形成的影響。

詳細信息

計畫提出

該探測器將有望飛到距太陽表面700萬公里，或9個太陽半徑的地方。在如此近的距離中，探測飛船的碳合成抗熱板必須能夠抵擋超過1400攝氏度以上的劇熱，並承受此前沒有任何太空船曾經承受過的高輻射“風暴”。
美國約翰·霍普金斯套用物理學實驗室為NASA設計和建造這艘超抗熱太空船：“太陽探測器+”通過太陽能驅動它依靠液冷式太陽能電池板獲得持久的電力供應，當陽光變得過於強烈時，太陽能板可以收縮藏在隔熱板後面探測器上還將攜帶一台磁力計、一台等離子波探測器、一台塵埃探測器、一些電子和離子分析儀等但最讓科學家興奮的科技之一是它上面將攜帶一個半球成像儀，它是一台望遠鏡，但卻能夠像醫學CAT掃瞄器一樣拍攝出太陽日冕的三維圖像，
科學家們計畫：“太陽探測器+”在長達6年的探測任務中，7次藉助金星之力飛進日冕進行探測任務金星的引力可以輕微改變探測器軌道讓它一次比一次更深入地潛進太陽大氣層蒐集太陽風和太陽磁的第一手資料，

自20世紀90年代中期以來，美國航宇局和歐洲空間局間的聯合項目太陽和日球層探測器(SOHO)以及美國航宇局的高新化學組成探測器(ACE)和風太陽探測器(WIND)就開始不斷地監測太陽風和日冕。然而，它們只能從安全距離——到地球的距離只有日地距離的1%——之外來觀測太陽。為了能真正捕捉到太陽大氣的複雜性，SP+不能如此的膽怯，

把一個探測器送往比先前最靠近太陽的探測器距離還要小8倍的地方聽上去就像是一次自殺式的任務。而在如此近的距離上，它會一頭扎入太陽日冕——太陽的外層大氣，那裡的溫度在100萬～200萬攝氏度之間。這正是美國航宇局計畫於2018年前發射的“太陽探測器+”(Solar Probe plus，簡稱SP+)所要做的，

2010年9月公布了SP+上所要進行的實驗，科學家們為之興奮不已。對於太陽物理學而言，SP+堪稱是哈勃望遠鏡級別的任務。如果一路上能夠倖存下來，SP+將有望回答一些長期以來困擾著天文學家的難題。這是人類第一次可以觸摸、品味、嗅聞我們的太陽。

實施難題

大小和賓士精靈車差不多的SP+目前仍處於建造“階段A”，還有許多工作要做。對於其設計者來說，最關鍵的問題是它是否能抵禦如此極端的高溫?

幸運的是，日冕中離子的密度非常低，尚不足地球海平面處大氣分子密度的六千萬億分之一，不會對SP+造成嚴重的破壞類似的，同是50℃的水和空氣，由於水的密度要比空氣大得多因此水感覺起來也會熱得多於是對於SP+來說，危險其實來自太陽自身的熱輻射。

在為期6年的任務中，SP+會多次利用金星的引力助推來逐漸靠近太陽，它從太陽近處飛過的次數將達到24次那么SP+究竟會有多靠近太陽?探測任務的設計以及金星的引力使得它到太陽表面的距離不會小於8.5個太陽半徑也就是說，當SP+抵達其距離太陽最近的那一點(近日點)時，它到太陽表面的距離大約是6百萬千米。在這個距離上太陽會比從地球上看大23倍，當地的太陽亮度和熱量則會高出500倍，

如果想在如此嚴酷的高溫和輻射下生存，SP+顯然不能“赤膊上陣”。整個探測器將被置於一塊直徑2.7米、厚15厘米由碳泡沫複合材料製成的防護罩之後。這一巨大的“太陽擋板”必須要能抵禦超過1400℃的高溫和強烈的輻射SP+上的絕大多數儀器設備都會躲在這塊擋板的後面來進行探測。然而，令人無法置信的是這樣一層防護罩卻可以把探測器的溫度維持在室溫的水平上，

SP+是由美國約翰·霍普金斯大學的高新物理實驗室設計建造的。由於之前從來沒有發射過類似的探測器因此設計團隊必須要從零開始。在設計的過程中，強照度、輻射以及塵埃的撞擊都必須要考慮，而在絕大多數情況下對這些空間環境的了解卻非常少，

多方面的建模、測試和創新成了設計的主旋律，而其中的核心則是平衡。SP+任務中所遇到的所有挑戰都可以被各個擊破，但真正的困難是要同時擺平它們。

肩負使命

使命之一

搞清日冕為何一面在“沸騰”一面是“冰凍”

20世紀60年代，觀測發現由太陽噴出的連續帶電粒子流(德國天文學家路德維希·比爾曼將其稱為“太陽風”)存在一個從亞音速到超音速的突變。此前理論天體物理學家尤金·帕克在50年代第一個預言了太陽日冕會出現這樣的一個跳變。然而在此前後，類似SP+的一個探測任務的構想便被首次提了出來。

1958年，美國科學院辛普森委員會就提出了一個可以來回答這些問題的探測任務，它會在距離太陽只有4個太陽半徑處來測量太陽粒子和磁場。雖然在當時看似是一個了不起的想法，但最初的方案還是太過冒進了。目前的計畫則有所改變。SP+將會前往太陽系中還從未被探訪過的區域，而驅使著它的兩大謎團是日冕的高溫和太陽風令人不解的加速。這是長期折磨著太陽物理學家的兩大難題。

日冕中的粒子看上去似乎是從不同的方向被加熱的。日冕中垂直於磁場方向的電漿溫度要比沿著磁場的高出10倍或者20倍。這就好像有一桶水，從一個方向上看它在沸騰，而從另一個方向上看它卻同時又是冰凍的。

使命之二

尋找超音速太陽風來自哪裡

第二大主要目標超音速太陽風是與第一個相關的。這主要是一場太陽引力和日冕中粒子壓強的較量。日冕的溫度越高，其中電漿的壓強就越大，由此就會產生超音速太陽風。換句話說，高溫粒子的速度在距離太陽表面一定的高度上可以達到逃逸速度。但即便採用帕克所提出的機制，仍然有許多有關太陽風加速的事情至今仍搞不清楚。例如，沒有額外的能源很難解釋高速太陽風的成因。

也許用大視場照相機拍攝日冕的360度像會對解決這些問題有所幫助，而這正是SP+大視場成像儀(WISPR)的目的。當它掃過日冕的時候，WISPR將對它進行斷層成像，不過其成像跨度只能達到90°～150°。

SP+在其24次的近日點飛掠過程中都會進行這一觀測。但如果你等不及到2018年的話，可以看看美國航宇局的日地關係觀測台在2011年2月提供的首幅360°的全太陽和日冕像。那么既然如此，為什麼還需要視場有限的WISPR呢?因為過去還從來沒有一個探測器能在如此有利的位置上以這樣高的解析度觀測過太陽，這對於了解日冕物質拋射的磁場屬性十分重要，

使命之三

以解開困擾科學家多年的兩大太陽奧秘——日冕和太陽風。
日冕的溫度是困擾科學家多年的謎團之一，如果你將一隻溫度計伸到太陽表面，那么它表面的溫度是大約6000攝氏度科學直覺認為，當溫度計離太陽表面越遠時，溫度應該越低，但事實卻正好相反。太陽外部大氣層——也即日冕的溫度，有些地方竟然超過了100萬攝氏度，比太陽表面溫度還要高上數百倍。這一反常的現象意味著什麼，科學家至今仍未找到合理的解釋。
而太陽風則是困擾科學家的第二個謎團，太陽向整個太陽系噴射出熾熱的帶電粒子風——也就是所謂的太陽風，它的時速可以達到每小時數百萬英里。然而令人驚奇的是，在靠近太陽表面的地方，卻並沒有任何明顯的強風存在，可當太陽風抵達太陽系行星時，卻變成了真正的“狂風”，是地球風速的上萬倍，科學家懷疑，在太陽和行星之間可能存在一些未知因素，從而讓太陽風獲得了如此高的加速度，