帕克太阳探测器

帕克太阳探测器距离太阳最近的时候不到400万英里：比地球到我们太阳的距离近8900万英里。

上周末，美国宇航局成功发射了帕克太阳能探测器。

然而，从地球上发射出来的任何东西，无论是自然的还是人工的，都没有与太阳近距离接触过。帕克太阳能探测器将绝对是第一个。有一个简单的原因来解释为什么以前从来没有发生过这种情况，以及为什么要花这么多的时间来计划它的发生。这个原因就是牛顿第一运动定律。

帕克太阳探测器发射

2018年8月12日，在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的卡纳维拉尔角，联合发射联盟德尔塔4号重型火箭发射了美国宇航局的帕克太阳能探测器，从37号发射场发射到太阳。帕克太阳探测器是人类第一次进入太阳大气层中被称为日冕的部分的任务。

早在17世纪中期，牛顿第一定律就已经很简单了。它描述到：

• 静止的物体保持静止，
• 运动中的物体保持恒定的运动，
• 除非有外力的作用。

我们已经习惯了这种直线运动，就像冰球在冰面上滑行。但与所有物理定律一样，牛顿定律也应适用于各种情况。甚至如果恒定的运动在围绕太阳的椭圆轨道上，也应该适用。

爱因斯坦广义相对论也同样经过了无数次的科学测试，所以这个观点受到人类有史以来最严格的约束。爱因斯坦的第一种解决方案是关于单一质量的弱场限制，就像太阳一样，他把这些结果应用到我们的太阳系，取得了巨大的成功。我们可以把这个轨道看作地球（或任何行星）在围绕太阳自由下落，在它自己的参照系中沿着直线运动。

“等一下，”我能听到你反对说，“重力是外力，所以这不是恒定的运动！”

这是一个合理的反对理由，如果你思考运动的唯一方式是线性运动的话。直线运动是最简单的一种运动，这就是我们通常学习牛顿定律的方法。推或拉的东西会加速，而把所有的外力都拿走，它就会保持恒定的运动。但还有另一种可能的运动：角度(或旋转)运动。对于任何起源于地球的物体，包括我们围绕太阳的运动。虽然帕克太阳能探测器可能被设计用来测量太阳的许多方面，但我们必须比以往更接近太阳，这意味着改变我们的角度运动。

太阳风和日冕在很长一段时间内都不为人所知，但自20世纪中期以来已经取得了许多进展。有了帕克太阳能探测器，许多长期存在的想法最终可以得到验证，但只能通过进入日冕本身。

当我们从直线思维转变为旋转和轨道思维时，我们也必须从线性动量转变为角动量。线性动量是物体的质量乘以速度，角动量是线性动量乘以物体的轨道距离（就是轨道半径）。只要运动方向垂直于你从物体(比如地球)到它轨道上的物体(比如太阳)所画的直线，这个工作就简单而完美。

从太阳系的北向看，地球和火星的轨道是成比例的。根据开普勒第二定律，由于角动量守恒，每颗行星在相等的时间内扫出相等的面积。

牛顿第一定律，关于直线运动，告诉我们动量总是守恒的，改变动量的唯一方法是有一个外力。对于轨道式运动，它告诉我们角动量总是守恒的，唯一改变它的方法是有一个外部扭矩，这是一个改变旋转运动的力。

对于地球上的任何物体，我们在绕太阳公转的轨道上以30公里/秒的典型速度移动，我们在距太阳9300万英里(1.5亿公里)的典型距离上移动。角动量的数量是巨大的，没有简单的方法可以摆脱它。

由于角动量守恒，行星稳定地沿轨道运行。由于无法获得或失去角动量，它们在未来的很长一段时间内都保持在各自的椭圆轨道上。

事实上，在太阳系中，只有两种方法可以改变你的角动量：

• 携带一些火箭燃料并燃烧它，造成你自己的加速度（由燃料的同向和反向加速度进行平衡），或
• 利用重力辅助对你自己进行相对太阳的加速或减速。

帕克太阳能探测器为了工作，需要在离太阳600万公里的最小距离内“接触”并测量太阳日冕：日冕是一种过热的等离子体区域，通常只有在日全食时才能观测到。

被遮挡的太阳、可见的日冕以及围绕着月亮阴影边缘的淡红色色调，是2017年日全食最壮观的景象之一。否则，太阳的日冕通常是看不见的。

这需要失去很多角动量。帕克太阳能探测器被吹捧为有史以来人类发射速度最快的物体，这是因为它必须如此。它的发射台是行星地球，它以大约30公里/秒的速度绕太阳运行，也就是说大约108000公里/小时。我们需要花费大量的燃料来减慢速度，这样我们就可以更接近太阳，进入内部轨道，这是非常大且昂贵的。

相反，我们需要一系列的重力辅助，或者重力弹弓，来尝试改变我们的轨道。只有涉及到第三个物体——比如另一颗行星——我们才能获得或失去与“宇宙飞船-太阳”系统相关的必要角动量。

信使号的任务历时7年，总共有6次重力协助和5次深空机动，最终到达了它的目的地：水星轨道。帕克太阳能探测器需要做更多的工作才能到达它的最终目的地：日冕。

在我们试图到达太阳系内外时，我们已经做过很多次了。信使号飞船于2004年发射，飞过地球一次，然后给自己两次加速并飞过金星，然后再次燃烧加速达到水星，之后又三次燃烧火箭，最终它在2011年进入稳定的水星轨道。

帕克太阳能探测器将采用类似的方法，使用金星作为其主要的引力辅助工具。它将以创纪录的7次飞越太阳系中最热的行星，以创造一个椭圆轨道，使它能够飞到距太阳610万公里以内。

它不只是用一套精巧的仪器来近距离测量太阳，尽管帕克太阳能探测器有这些仪器。虽然帕克太阳能探测器也有这种材料，但仅仅有一个厚的碳复合材料屏蔽层是不够的。它还需要一个难以置信的复杂的计划，让你自己进入一个稳定的轨道，能够让你比以往任何时候都更接近太阳。

帕克太阳能探测器所要回答的科学问题只能从它与太阳极其接近的未来位置得到回答：距离太阳本身610万公里以内。

触摸太阳是一项非凡的技术成就，在短短几年内就会实现。这次发射非常成功，接下来几年的重力辅助和一些深空机动应该会让我们比以前更接近太阳。经过60年的理论研究，终于可以回答一系列关于离我们最近的恒星和一般恒星的热门科学问题。由于多次近距离穿过日冕，这艘宇宙飞船可能注定最终会被烧毁，但它的设计至少能在三次成功的“接触”太阳后幸存下来。这将是我们第一次从地球上发出如此接近太阳的东西。这只是因为一个非凡的飞行计划，我们失去了足够的角动量，这个任务有成功的机会。

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