不惧炙烤,环日轨道器启程奔日

本文来自微信公众号: 果壳(ID:Guokr42) ,作者:鸑鷟鹓鶵

美国东部时间2月9日晚23:03 (北京时间10日中午12:03) ,2020年的第一枚深空探测器发射升空。这次的目标,直指太阳。

这枚太阳探测器有个非常好记、朴素而又特别的名字,就叫Solar Orbiter——译成中文,称为“环日轨道器”。

环日轨道器发射升空 | John Kraus

起名困难症

对于付出的心血和成果,人们往往会起一个有寓意的名字。

之前的太阳探测器,都是怎么取名的呢?

第一枚太阳探测器,尤利西斯号,得名于献木马计攻入特洛伊的英雄。

上一枚太阳探测器,则是帕克号,得名于对太阳认识作出杰出贡献的天体物理学家尤金·帕克。

最著名太阳探测器可能是SOHO。别误会,不是说它跟大家一样宅在家里上班。这是“太阳与太阳风层探测器” (Solar and Heliospheric Observatory) 的缩写。

这次的探测器,汇聚了欧洲和美国大量的智慧和汗水,是一枚里程碑式的探测器,理应起个好名字才对……

装配中的环日轨道器  | ESA

但是,有些时候,起名实在太难了!

起名不是很多人擅长的领域,绞尽脑汁也没思路。

就拿给孩子起名来说,各种语言、各个时期,都会涌现一批相似度极高的名字。

在航天领域,苏联的深空探测器就经常如此,如大名鼎鼎的月球X号、金星Y号、火星Z号系列,这些简单的名字曾经实现了深空探测领域人类众多的第一次。

美国的一些探测器则走向了另一个极端,甚至强行拼出OSIRIS-REx (即冥王号小行星探测器) 这样的复杂名称,其全称足足有75个字母。

最终,这枚高达3米、重1.8吨的太阳探测器,被命名为环日轨道器。

如此直白的大名,也许意味着大家对它寄予了更多的期待和责任。

运输中的环日轨道器 | ESA

那是一条亮瞎与炙烤的天路哟

当你决定靠近太阳的时候,就是选择了一条环境极其恶劣的天路。

环日轨道器离太阳最近时,距离约为0.42亿公里,只有地球到太阳距离的1/4,比水星还要更靠近太阳。

在这个距离上,环日轨道器需要承受人造地球卫星13倍之多的太阳热量,需要忍受大约430℃的高温。这样的温度可以直接融化金属铅,绝大多数设备无法在如此高温下工作。

为了保护探测器,工程师设计了一面朝向太阳的热盾,这也是近距离探测太阳的关键所在。

这个隔热的盾牌由多层多种材料组成:

  • 热盾最外层是可以承受500℃高温的绝热碳纤维材料;

  • 中间是多达30层、共5cm厚的铝合金蜂窝结构,可以承受300℃的高温;

  • 里侧则是10层1.5mm厚的钛合金,再三阻隔来自太阳的热浪。

环日轨道器在进行高温热真空的考验 | ESA

这些材料组成的结构,共同守护环日轨道器的主体。

不过,在这面热盾上,工程师还特意开了一些小窗。

运输中的环日轨道器,注意左上方热盾上的几个“小窗” |  ESA

在环日轨道器携带的仪器中,只有一部分仪器是近距离感应或测量周边环境用的,可以安全地躲在热盾后的阴影区中工作。

还有一些,则是遥感太阳的仪器,热盾会阻挡这些仪器观测太阳的视线。

这些小型天窗,可以把一小部分来自太阳的信息送到仪器中,既能保证观测需要,又不至于会损坏仪器。

长6.3米的太阳能帆板,这只是其中的一块,另外一侧还有一块  | ESA

除了探测器主体,展开在外侧的太阳帆板是没有热盾保护的。

为了保护太阳帆板,在靠近太阳时,帆板会侧过来把边缘朝向太阳,从而减少炙烤。

而在远日点时,帆板则会调整角度,整个板面朝向太阳,最大程度地获取太阳能。

如此多管齐下,环日轨道器便练就了无惧炙热也不怕亮瞎的金刚不坏之身。

承受亮瞎与炙烤的旅途 | ESA,作者汉化

那还是一条百转千回的天路哟

回顾人类航天史,你会发现,绝大多数的深空探测器,都是前往地球轨道的外侧,深入水星轨道以内的寥寥无几。

第一枚太阳探测器,更是到了1990年才发射,此时人类的探测器已经抵达过远30倍距离的海王星了。

原因不仅仅是这条天路条件恶劣,还有靠近太阳的轨道难以驾驭。

因为,越靠近太阳,就像从越高的空中坠落一样,引力势能转变为动能,速度越来越快。

尽管使用了各种各样的减速策略,飞向太阳的探测器仍然成为了速度最快的一批人造物体。

速度最快的帕克号,最高时速可达到200公里/秒,相当于不到7秒的时间跑完京沪高铁的路程!而高速动车组需要4小时跑完,飞机也需要近两小时。

那么,如何让探测器安全抵达太阳附近呢?

答案是百转千回,慢慢靠近。

探测器的飞行路线 | ESA,作者汉化

探测器不会坠毁式的直奔太阳,而是会一圈一圈地降低近日点。此外,在远日点附近,探测器一般还会借助地球或金星进行引力弹弓减速。

环日轨道器规划的引力弹弓减速达到了9次之多。

除了减速,这次的太阳探测任务还有一个目标:首次近距离观测太阳两极的情况。

为此,探测器每次变轨都会增加自己的黄道倾角,从0°的地球公转平面 (黄道) 上升到最高33°的倾角。

环日轨道器的官方视频简介 | NASA,Steed汉化

太阳探测姊妹花

尽管前程坎坷,但环日轨道器并不孤单。

就在不到2年前,即2018年8月,帕克号太阳探测器发射升空,将前所未有地接近太阳。如今,两枚探测器将结伴探索太阳。

环日轨道器(左)和帕克号太阳探测器(右) |  ESA

两枚姊妹探测器可谓各有特色,优劣互补。

帕克号选择轻装上阵,只带了4种仪器,环日轨道器则携带了更多的仪器,多达10种。

帕克号没有携带近距离拍摄太阳的成像设备,而环日轨道器有望拍摄多种频段下超近距离的太阳图像。

帕克号将更加接近太阳,可以获得日冕层的数据,而环日轨道器将更全面地观测太阳。

此外,环日轨道器的轨道倾角更高,着重于观测太阳高纬度乃至极地地区的情况,并有望拍下人类历史上第一张太阳两极的照片。

环日轨道器携带的仪器 | ESA,作者汉化

太阳这颗离我们最近的恒星,蕴含着巨大的能量。自古以来,我们就知晓它对于地球和人类的重要性。

尽管我们与太阳朝夕相处 (甚至这个词也受到了太阳的影响) ,但人类对太阳依旧知之甚少。

这些能量呵护了地球的生命,也正是这些能量,可以轻而易举地影响地球。

两枚探测器将前所未有地接近太阳,为我们揭开更多有关这颗恒星的奥秘。

只有更加了解太阳,才能了解我们所在的世界。

只有在了解太阳的脾气之后,我们才能更好的应对太阳变化对我们的影响。

愿环日轨道器此去太阳,一路平安!

本文来自微信公众号: 果壳(ID:Guokr42) ,作者:鸑鷟鹓鶵

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