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一个好奇的问题,我们离太阳有多远?答案无法想象

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天文在线 2021-06-22 16:54

我们可以离太阳有多近?1926年时罗伯特.戈达德创造了世界上第一个液体燃料火箭,在1957年的时候,苏联发射了人造地球卫星,之后不到5年时间里,尤里.加加林成为了第一个进入太空的人类,在20世纪60年代末的某一天,全世界都在看着尼尔.阿姆斯特朗和巴兹.奥尔德林在月球上行走,之后1977年发射的旅行者1号到达了土星和它最大的卫星土卫六,然后它继续前进,离太阳越来越远。在它发射的30年之后,我们关于宇宙的目光,越来越频繁地向太阳系的最远处延伸,而且有可能会超出太阳系。但现在nasa前所未有的将它的目光聚焦在一个燃烧的,发烫的球上,一个可以保护地球上一切生命的球上。

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所以我们可以真正到达离太阳有多近的地区?就距离而言,到达恒星所需要的距离,比起逃离太阳系,似乎是一个更有可能实现的目标。但是真实的情况却是相反的,这是一个有关引力的问题,这种基本的作用力,会把所有物体拖进太阳的核心。但是地球和每一颗行星,却不会掉进这样一个火红的坟墓。这是因为它们在围绕太阳的轨道上,转的足够快,理论上可以抵消这种拉力,而在现实生活中,这使得车辆更容易朝外边行驶,这是因为轨道的速度往往朝向轨道的外边。

但要向太阳飞,探测器每一个喷头锁喷射气体的速度都需要与地球在其轨道上的运行速度19英里每秒相一致,同时朝着地球运动的相反方向喷射,但这几乎是目前不可能完成的壮举,这使事情变得相当复杂,让探测器发射升空和让它保持在轨道上都是很棘手的任务,但是这并不意味着一旦旅程开始,事情就会变得容易。

科学家和工程师必须设计出最先进的系统,这种系统必须能够承受太阳的巨大能量,同时能够穿越地球与太阳系中心之间1.5亿公里的距离,这个距离也被称为一个天文单位,它绝不是一个无关紧要的长度,所需要的路线也绝对不是直接到达太阳。但我们现在已经做的要比这多的多,旅行者1号在其破记录的飞行旅程中飞行了140多个天文单位。此时旅行者1号已驶向未知,但是任何一艘朝着太阳飞的飞船,都在朝着我们已经知道的东西飞去,但我们现在所知道的大部分并不能让我们找见一个好客的目的地来解决距离太阳过近温度过高的问题。

太阳的半径接近70万公里,由多个圈层组成,它到底有多热呢?温度在太阳不同圈层上的变化很大,但毫无疑问,核心区域是最热的部分,温度能达到2800万华氏度左右。越靠近太阳表面,温度就下降的越快,等到达太阳大气层的光球层时,温度骤降到10000华氏度左右。按照这样的原则,太阳大气层的最外层-日冕的温度应该是最低的,但事实恰恰相反,日冕的温度能轻易上升至数百万华氏度。研究人员推测造成这种现象的原因很可能是毫米耀斑引起的,毫米耀斑虽小,但能产生剧烈的热爆炸,释放大量的能量进入大气。

同时日冕还会以太阳风的形式释放带电粒子,这种现象会扰乱地球磁场,破坏电力系统。这一切都意味着我们对太阳靠近的尝试和探索并不是一帆风顺的,我们面临的危险在不断增加。事实上,为了更好的探索,无论是围绕太阳高层大气的多重未解之谜还是它对我们日常生活的有形影响,在各个方面都有潜在的一个待解决任务---探测器在高温下的融化问题。美国宇航局认为,是时候在2018年之前利用帕克太阳探测器去解决这些谜题了。1976年,赫利俄斯号探测器飞行距离太阳最近的记录是在距离目标约9个天文单位或4300万公里的时候,这次活动帮助了我们去了解太阳风和宇宙射线。

而美国宇航局最近发射的帕克太阳探测器已经打破了赫利俄斯号的记录, 他们的最终目标是让它成为第一个触摸太阳的人造设备。帕克的任务很简单,进入太阳上层大气并收集数据,重点是研究太阳风形成背后的机制。这是一项崇高的探索行动,但是帕克计划如何实现它的目标呢?因为我们知道直接飞向太阳的技术还不存在,因此,触摸到太阳表面的计划是不可行的。探测器只是被设置为进入日冕,并在行星或天文物体的帮助下尽可能近距离靠近太阳飞行,引力弹弓会帮助改变探测器的方向和速度, 同时不断减少燃料,这样才能到达太阳。帕克的飞行路线会定期经过太阳系中的其他行星-金星,计划7次飞越金星,在此期间,探测器通常会利用一些行星产生的动量,对探测器本身提供实质性的速度提升和转向。

2018年10月“帕克”太阳探测器就足以打破阿波罗二号创下的记录并将于2025年完成飞越水星的任务。“帕克”太阳探测器将以两倍多的速度到达距离我们中心恒星650万公里的地方。引力的存在有助于解决NASA有关于动量和距离的难题,但是还存在一个关于日冕层温度的问题就是它捉摸不定的温度阻止“帕克”太阳探测器比炎炎夏日中的冰淇淋融化的还要快。

首先,是温度与热的区别。温度指的是粒子的运动速率。这意味着如果周围只有很少的粒子或者几乎没有粒子,他周围的任何粒子都于粒子之间的能量转移有关,所以即使日冕层温度高的离谱,只要大气密度低就意味着转移的能量和产生的热量更少。在地球上,这一原理解释了为什么你可以舒服地坐在一个温度与沸水相当或温度高于沸水的桑拿房里。因此,即使太阳大气温度可能高达百万摄氏度,但“帕克”太阳探测器只需要承受几千度的热量。虽然日冕层仍然非常热,但是探测器需要在将近七年的时间里接受它不断的冲击并存活下来。

所以如果他真的成功了,这将名垂千秋。尽管制造“帕克”太阳探测器的成本高达15亿美元,这是由于其创新的热保护系统(TPS)。科学家们仍然希望即使在没有这种热保护技术的情况下,它也能够承受高达2500摄氏度的高温。毫不夸张的说,NASA的雄心壮志仍然只是如科幻小说般的存在。TPS调节范围很大,它将内部温度设置在85华氏度左右,但它的重量却比美国人的平均体重160磅还要轻。它形似盾牌并由一块4.5英寸厚的碳泡沫夹层组成,夹在了两块可弯曲的碳片之间。“帕克”不会融化因为TPS会阻止热量进入飞船核心。

最后,NASA在保护罩上喷涂了一层白色的氧化铝层,这层防护罩会保护“帕克”,就像太阳的能量从探测器上消失一样,对“帕克”几乎毫无影响。但是在长达近七年的旅行里没有燃料能支撑“帕克”到达目的地。因为在首次发射后,探测器已经使用完它的燃料,接下来将利用太阳能去维持尖端冷却系统,太阳能电池板将支撑航天器加速通过太阳系的24个围绕恒星的计划。考虑到它的最终目标,太阳能应该不会太难获得,因为“帕克”太阳探测器预计到达到达近日点的距离是指一个物体最接近太阳的时刻。

在2025年之前,即在帕克太阳探测器结束其飞行任务之前,它将经历24次这样的时刻(环绕太阳飞行24圈)。帕克太阳探测器在飞行中经过的大多数轨道会缩短它和太阳之间的距离。据美国宇航局预测,(帕克太阳探测器与太阳)最接近的一次将发生在它第22次绕日飞行期间,预计两者间距约为610万公里,只有0个天文单位,当时帕克的飞行速度应是在每小时40万英里左右。2024年12月24日将是一个标志性的日子,那是全人类最接近太阳的一天,至少帕克到太阳的距离只有几百万公里。在帕克进行最后一次绕日轨道飞行并最终屈服于太阳的威力时,此次观测研究太阳的任务即将结束。它将在受热过程中逐渐解体并成为太阳大气层的一部分。对于帕克这一宏伟的技术产物而言,这无疑是最合适的结局。

宇宙飞船是用于在外太空飞行的交通工具或机器。作为一种人造卫星,宇宙飞船用途广泛,包括通信沟通、地球观测、气象研究、导航指引、太空殖民、行星探索以及人货运输。除单级入轨飞行器外,所有的航天器都无法自行进入太空,需要借助活动发射装置(即运载火箭)。

在亚轨道太空飞行中,太空飞行器进入太空,随即返回地面,因为其没有足够的能量和速度可以绕地球一周。而在轨道太空飞行中,航天器会进入环绕地球或其他天体的封闭轨道运行。

用于载人航天的飞行器会将机组人员或乘客送入轨道(空间站),而用于进行机器人太空任务的航天器则是自动或是遥控运行。用于科学研究的机器人航天器被称之为太空探测器。人造卫星则是停留在行星轨道上的机器人航天器。到目前为止,只有少数星际探测器能在非太阳系的轨道上运行,如先驱者10号和11号,旅行者1号和2号,以及新视野号。

轨道航天器有返回式的,但大多数是非返回式的。根据重新进入地球大气层的方式不同,返回式的航天器可分为非翼型和翼型两种。返回式航天器可重复使用 (可再次发射或多次发射,如SpaceX“龙”号载人飞船和航天飞机轨道器),也有一次性的(如联盟号飞船)。近年来,越来越多的航天机构倾向于制造可重复使用的航天器。

参考资料

1.天文学家把太阳结构分为内部结构和大气结构两大部分。 内部结构由内到外可分为太阳核心、辐射层、对流层3个部分;大气结构由内到外可分为光球层、色球层和日冕。 太阳的核心区域虽然很小,半径只占太阳半径的1/4,但却是产生核聚变反应之处,是太阳的能源所在地。

2.日冕 (solar corona),一种 自然现象 ,是指 太阳大气 的最外层(其内部分别为 色球 层和 光球 层),厚度达到几百万公里以上。 色球层之外为日冕层,它温度极高,日冕温度有100万摄氏度, 粒子数密度 为10 15 /m 3 。

3.帕克太阳探测器

“帕克太阳探测器”,是以太阳风科学的先驱、芝加哥大学名誉教授、天文学家尤金・帕克命名的航天器,是NASA第一次以健在人物命名的航天器。太阳探测器(SP)是第一个飞入太阳日冕的飞行器。

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