美国的科学再次刷新了我们的世界观 - 人类居然能这么厉害

准确来说，美国宇航局的帕克太阳探测器是超出我的想象，这绝对是人类工程奇迹，甚至可以与詹姆斯韦伯太空望远镜齐名。我原本以为这只是一个普通的太阳探测器，几十年前美国和欧洲都发射过类似的太阳探测器，但是……这篇文章我们直接切入正题，首先从帕克任务的难点开始。


1.太阳附近的环境非常恶劣，如果没有足够的安全热保护系统，航天器将无法生存，同时，帕克还必须兼顾辐射问题。辐射带来的问题远比高温更可怕，尤其是告诉太阳风粒子的活跃，太阳就是太阳风的起源，在太阳风粒子起源的地方转悠，被粒子击中的可能性将大大增加。

2.接近太阳也非常困难，在接下来的内容会具体讲到。

帕克太阳探测器的主要任务就是对太阳日冕层粒子以及周围环境进行数据取样，以揭示太阳日冕是如何被加热的，太阳风和太阳高能粒子是如何被加速的。50多年来，解决这些问题一直是恒星科学领域最重要的科学目标。在为期七年的任务中，帕克需要进行七次金星重力辅助加速，轨道异常复杂。不仅如此，帕克在巡航接近太阳的过程中还需要对太阳风的所有三形态（慢、快和瞬态）进行数据采样，因为太阳风结构，磁场，粒子速度等等会随着太阳活动的增加而日益复杂，美国宇航局在设计帕克轨道的时候就允许帕克对太阳高纬度太阳风粒子和赤道太阳风粒子进行扩展测量。

每个轨道有两个周期，一个入站周期和一个出站周期，出站与入站统称为快速径向扫描，在这些称为快速径向扫描的时间间隔内，航天器将在多次“绘制”扇形区域，然后在规定的大径向距离内对太阳风进行采样。这些测量将产生更多关于太阳风结构对空间和时间依赖性以及它们如何在内日光层中合并的信息。

为了通过获取关键数据和测量数据来回答地球轨道卫星和其他行星际空间探测器观测无法回答的问题，帕克太阳探测器必须足够的接近太阳，这也是帕克和之前的太阳探测器最大的不同。想要接近太阳，画好轨道，7次金星重力辅助还不够，还有一个关键单位
也必须达标——速度，这也是为什么帕克太阳探测器飞行速度这么快的原因，帕克是目前最快的人造探测器，甚至超越了新视野号和旅行者系列探测器。

另外我看到大家经常把帕克和美国与欧洲一起合作的另一个太阳任务搞混，太阳轨道探测器和帕克这两项任务都是仔细地观察太阳外层日冕结构的探测器。我们知道地球上看，日冕只有在日全食时才可见，那时月亮挡住了太阳最强烈的光线，露出了外层大气的纤细、珍珠般的白色结构。

但是其实日冕并不像日全食时看起来那么微妙，日冕的许多行为都是不可预测的，帕克和太阳轨道探测器将一个远，一个近的探索太阳日冕层。这次帕克发现太阳日冕的带电气体是由一系列物理定律驱动的，这些定律我们在地球上无法实验。之前的一篇半专业文章为大家梳理了之前美国宇航局太阳任务发现的“之”字形太阳风磁场和S字形太阳
风磁场，美国宇航局科学家们一直在研究让带电粒子和让磁场跳舞扭曲的细节，知道这个可以帮助我们理解两个关键问题：是什么使日冕比太阳表面热得多，是什么驱使太阳风粒子不断地以如此高的速度涌出。

美国宇航局科学家解释说：“帕克太阳探测器和太阳轨道器采用不同的技术，但作为任务，它们是互补的。他们将同时拍摄太阳日冕的照片，他们将看到一些相同的结构，在太阳两极发生了什么，在赤道上这些相同的结构看起来像什么。”

帕克代表人类，进入太阳日冕层，这不仅仅是一次突破，更代表着人类科学文明的最高水平，为什么这么说呢？让我们任务难点，看看帕克太阳探测器本身。和詹姆斯韦伯一样，帕克本身的存在就是艺术品，帕克一共携带了4套科学仪器，13个科学载荷，我只
为大家介绍其中的一些，因为全都写完的话太长了，也太多了，美国宇航局任务介绍写的都没我长……

首先是SWEAP，SPC（法拉第杯）和SPAN（太阳探头分析仪）组成了SWEAP。法拉第杯不
需要遮阳板的保护，它可以直接观察航天器周围的环境，并实时快速测量太阳风的整体特性。SPAN是航天器隔热罩后面的一组三个ESA静电分析仪，用于详细测量离子和电子
的三维速度分布函数。SPAN在航天器总线的两侧分为两个模块。SPAN-A位于航天器的右侧，具有离子和电子ESA分析模块，而SPAN-B位于航天器的左侧，具有综合系统ESA。
SPAN-A、SPAN-B这两个科学仪器有很多功能，比如它可以分析电子俯仰角分布、力矩，分析离子力矩，它还拥有全3D电子速度软件功能，全三维离子速度分布函数分析功能，质子体积分析功能，VDF 2D离子建模分析仪等等。

而法拉第杯能够以超过100Hz的速度对太阳风的流动角度进行及时测量，从而能够测量
回旋加速器频率以上的离子波动，下面会具体说法拉第杯的制造过程。SPAN-A和B的电
子视野覆盖了全部天空，整个SWEAP套件就能够检测沿局部磁场流动的高能电子束，不
管其方向如何，都需要AB的帮助。

美国宇航局很聪明，他们把SWEM的大部分用于SWEAP的航天器接口电子设备安装在单个
模块中，以减少质量、简化线束和接口，并减少接口逻辑、电源转换器和其他通用服务的重复。SWEM允许与单一接口（DPU接口），DCB大概是160乘200毫米大小，6U-VME参数。法拉第杯，帕克太阳探测器的一大亮点，其他的参数我就不说了，十分复杂，它的系统噪声级，SNR控件儿，HVPS系统等等，参数都是世界顶级，大概说一下美国宇航局是
怎么制造的吧。

首先安装在最上面的两块薄环形铌板可以帮助法拉第杯直接暴露在1700摄氏度的高温下，调制器和集电极组件由一种称为钼TMZY合金制造，我也不知道这是什么东西，没查出来。之前太阳探测器任务一般用Delran绝缘体固定，还需要与调制器壁隔离，不过美国宇航局用合成蓝宝石棒取代了过去的绝缘体。除此之外，美国宇航局几十年前的太阳神B任务用的编织钨丝网，现在换成了晶片激光蚀刻的单片网格所取代，这些新网格结构
比旧的网格更坚固，旧的网格容易因断丝而失效，而且制造时间很长。

之后就是和堆火箭似的堆叠每个子组件，然后用TZM板从背面密封。叠层是由铌间隔环
、单个网格和蓝宝石间隔棒和环组成的，之后美国宇航局还会通过从调制器组件侧面馈电结构的铌丝将电传输至调制器栅极，并通过压接和激光焊接连接至铌环，这个时候高压栅极就会夹在铌环和钨环之间。蓝宝石封装的电缆从调制器外壳的侧面引出，与特殊定制的合金电缆连接。在这些电缆中，蓝宝石管必须将电线与接地的铌外管绝缘。

美国宇航局针对法拉第杯进行了热模拟，顶部第一个模块将承受1700C以上的温度，调
制器外壳壁将达到1000C。这温度看着挺高，其实杯体向阳内侧的部件相对较冷，电路
板的温度约为700C，集电外壳的背面温度约为600C，这远低于材料和部件的经过测试的极限温度。

就差不多写这些吧，太多了，法拉第杯，AB，也就说了三个科学仪器，还有十个科学仪器没说，不过大家就算看这三个科学仪器也应该知道这家伙有多硬核啦……