我們可以離太陽有多近?1926年時羅伯特.戈達德創造了世界上第一個液體燃料火箭,在1957年的時候,蘇聯發射了人造地球衞星,之後不到5年時間裏,尤里.加加林成為了第一個進入太空的人類,在20世紀60年代末的某一天,全世界都在看着尼爾.阿姆斯特朗和巴茲.奧爾德林在月球上行走,之後1977年發射的旅行者1號到達了土星和它最大的衞星土衞六,然後它繼續前進,離太陽越來越遠。在它發射的30年之後,我們關於宇宙的目光,越來越頻繁地向太陽系的最遠處延伸,而且有可能會超出太陽系。但現在nasa前所未有的將它的目光聚焦在一個燃燒的,發燙的球上,一個可以保護地球上一切生命的球上。
所以我們可以真正到達離太陽有多近的地區?就距離而言,到達恆星所需要的距離,比起逃離太陽系,似乎是一個更有可能實現的目標。但是真實的情況卻是相反的,這是一個有關引力的問題,這種基本的作用力,會把所有物體拖進太陽的核心。但是地球和每一顆行星,卻不會掉進這樣一個火紅的墳墓。這是因為它們在圍繞太陽的軌道上,轉的足夠快,理論上可以抵消這種拉力,而在現實生活中,這使得車輛更容易朝外邊行駛,這是因為軌道的速度往往朝向軌道的外邊。
但要向太陽飛,探測器每一個噴頭鎖噴射氣體的速度都需要與地球在其軌道上的運行速度19英里每秒相一致,同時朝着地球運動的相反方向噴射,但這幾乎是目前不可能完成的壯舉,這使事情變得相當複雜,讓探測器發射升空和讓它保持在軌道上都是很棘手的任務,但是這並不意味着一旦旅程開始,事情就會變得容易。
科學家和工程師必須設計出最先進的系統,這種系統必須能夠承受太陽的巨大能量,同時能夠穿越地球與太陽系中心之間1.5億公里的距離,這個距離也被稱為一個天文單位,它絕不是一個無關緊要的長度,所需要的路線也絕對不是直接到達太陽。但我們現在已經做的要比這多的多,旅行者1號在其破記錄的飛行旅程中飛行了140多個天文單位。此時旅行者1號已駛向未知,但是任何一艘朝着太陽飛的飛船,都在朝着我們已經知道的東西飛去,但我們現在所知道的大部分並不能讓我們找見一個好客的目的地來解決距離太陽過近温度過高的問題。
太陽的半徑接近70萬公里,由多個圈層組成,它到底有多熱呢?温度在太陽不同圈層上的變化很大,但毫無疑問,核心區域是最熱的部分,温度能達到2800萬華氏度左右。越靠近太陽表面,温度就下降的越快,等到達太陽大氣層的光球層時,温度驟降到10000華氏度左右。按照這樣的原則,太陽大氣層的最外層-日冕的温度應該是最低的,但事實恰恰相反,日冕的温度能輕易上升至數百萬華氏度。研究人員推測造成這種現象的原因很可能是毫米耀斑引起的,毫米耀斑雖小,但能產生劇烈的熱爆炸,釋放大量的能量進入大氣。
同時日冕還會以太陽風的形式釋放帶電粒子,這種現象會擾亂地球磁場,破壞電力系統。這一切都意味着我們對太陽靠近的嘗試和探索並不是一帆風順的,我們面臨的危險在不斷增加。事實上,為了更好的探索,無論是圍繞太陽高層大氣的多重未解之謎還是它對我們日常生活的有形影響,在各個方面都有潛在的一個待解決任務---探測器在高温下的融化問題。美國宇航局認為,是時候在2018年之前利用帕克太陽探測器去解決這些謎題了。1976年,赫利俄斯號探測器飛行距離太陽最近的記錄是在距離目標約9個天文單位或4300萬公里的時候,這次活動幫助了我們去了解太陽風和宇宙射線。
而美國宇航局最近發射的帕克太陽探測器已經打破了赫利俄斯號的記錄, 他們的最終目標是讓它成為第一個觸摸太陽的人造設備。帕克的任務很簡單,進入太陽上層大氣並收集數據,重點是研究太陽風形成背後的機制。這是一項崇高的探索行動,但是帕克計劃如何實現它的目標呢?因為我們知道直接飛向太陽的技術還不存在,因此,觸摸到太陽表面的計劃是不可行的。探測器只是被設置為進入日冕,並在行星或天文物體的幫助下儘可能近距離靠近太陽飛行,引力彈弓會幫助改變探測器的方向和速度, 同時不斷減少燃料,這樣才能到達太陽。帕克的飛行路線會定期經過太陽系中的其他行星-金星,計劃7次飛越金星,在此期間,探測器通常會利用一些行星產生的動量,對探測器本身提供實質性的速度提升和轉向。
2018年10月“帕克”太陽探測器就足以打破阿波羅二號創下的記錄並將於2025年完成飛越水星的任務。“帕克”太陽探測器將以兩倍多的速度到達距離我們中心恆星650萬公里的地方。引力的存在有助於解決NASA有關於動量和距離的難題,但是還存在一個關於日冕層温度的問題就是它捉摸不定的温度阻止“帕克”太陽探測器比炎炎夏日中的冰淇淋融化的還要快。
首先,是温度與熱的區別。温度指的是粒子的運動速率。這意味着如果周圍只有很少的粒子或者幾乎沒有粒子,他周圍的任何粒子都於粒子之間的能量轉移有關,所以即使日冕層温度高的離譜,只要大氣密度低就意味着轉移的能量和產生的熱量更少。在地球上,這一原理解釋了為什麼你可以舒服地坐在一個温度與沸水相當或温度高於沸水的桑拿房裏。因此,即使太陽大氣温度可能高達百萬攝氏度,但“帕克”太陽探測器只需要承受幾千度的熱量。雖然日冕層仍然非常熱,但是探測器需要在將近七年的時間裏接受它不斷的衝擊並存活下來。
所以如果他真的成功了,這將名垂千秋。儘管製造“帕克”太陽探測器的成本高達15億美元,這是由於其創新的熱保護系統(TPS)。科學家們仍然希望即使在沒有這種熱保護技術的情況下,它也能夠承受高達2500攝氏度的高温。毫不誇張的説,NASA的雄心壯志仍然只是如科幻小説般的存在。TPS調節範圍很大,它將內部温度設置在85華氏度左右,但它的重量卻比美國人的平均體重160磅還要輕。它形似盾牌並由一塊4.5英寸厚的碳泡沫夾層組成,夾在了兩塊可彎曲的碳片之間。“帕克”不會融化因為TPS會阻止熱量進入飛船核心。
最後,NASA在保護罩上噴塗了一層白色的氧化鋁層,這層防護罩會保護“帕克”,就像太陽的能量從探測器上消失一樣,對“帕克”幾乎毫無影響。但是在長達近七年的旅行裏沒有燃料能支撐“帕克”到達目的地。因為在首次發射後,探測器已經使用完它的燃料,接下來將利用太陽能去維持尖端冷卻系統,太陽能電池板將支撐航天器加速通過太陽系的24個圍繞恆星的計劃。考慮到它的最終目標,太陽能應該不會太難獲得,因為“帕克”太陽探測器預計到達到達近日點的距離是指一個物體最接近太陽的時刻。
在2025年之前,即在帕克太陽探測器結束其飛行任務之前,它將經歷24次這樣的時刻(環繞太陽飛行24圈)。帕克太陽探測器在飛行中經過的大多數軌道會縮短它和太陽之間的距離。據美國宇航局預測,(帕克太陽探測器與太陽)最接近的一次將發生在它第22次繞日飛行期間,預計兩者間距約為610萬公里,只有0個天文單位,當時帕克的飛行速度應是在每小時40萬英里左右。2024年12月24日將是一個標誌性的日子,那是全人類最接近太陽的一天,至少帕克到太陽的距離只有幾百萬公里。在帕克進行最後一次繞日軌道飛行並最終屈服於太陽的威力時,此次觀測研究太陽的任務即將結束。它將在受熱過程中逐漸解體併成為太陽大氣層的一部分。對於帕克這一宏偉的技術產物而言,這無疑是最合適的結局。
宇宙飛船是用於在外太空飛行的交通工具或機器。作為一種人造衞星,宇宙飛船用途廣泛,包括通信溝通、地球觀測、氣象研究、導航指引、太空殖民、行星探索以及人貨運輸。除單級入軌飛行器外,所有的航天器都無法自行進入太空,需要藉助活動發射裝置(即運載火箭)。
在亞軌道太空飛行中,太空飛行器進入太空,隨即返回地面,因為其沒有足夠的能量和速度可以繞地球一週。而在軌道太空飛行中,航天器會進入環繞地球或其他天體的封閉軌道運行。
用於載人航天的飛行器會將機組人員或乘客送入軌道(空間站),而用於進行機器人太空任務的航天器則是自動或是遙控運行。用於科學研究的機器人航天器被稱之為太空探測器。人造衞星則是停留在行星軌道上的機器人航天器。到目前為止,只有少數星際探測器能在非太陽系的軌道上運行,如先驅者10號和11號,旅行者1號和2號,以及新視野號。
軌道航天器有返回式的,但大多數是非返回式的。根據重新進入地球大氣層的方式不同,返回式的航天器可分為非翼型和翼型兩種。返回式航天器可重複使用 (可再次發射或多次發射,如SpaceX“龍”號載人飛船和航天飛機軌道器),也有一次性的(如聯盟號飛船)。近年來,越來越多的航天機構傾向於製造可重複使用的航天器。