帕克太陽探測器

帕克太陽探測器距離太陽最近的時候不到400萬英里：比地球到我們太陽的距離近8900萬英里。

上週末，美國宇航局成功發射了帕克太陽能探測器。

然而，從地球上發射出來的任何東西，無論是自然的還是人工的，都沒有與太陽近距離接觸過。帕克太陽能探測器將絕對是第一個。有一個簡單的原因來解釋為什麼以前從來沒有發生過這種情況，以及為什麼要花這麼多的時間來計劃它的發生。這個原因就是牛頓第一運動定律。

帕克太陽探測器發射

2018年8月12日，在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的卡納維拉爾角，聯合發射聯盟德爾塔4號重型火箭發射了美國宇航局的帕克太陽能探測器，從37號發射場發射到太陽。帕克太陽探測器是人類第一次進入太陽大氣層中被稱為日冕的部分的任務。

早在17世紀中期，牛頓第一定律就已經很簡單了。它描述到：

• 靜止的物體保持靜止，
• 運動中的物體保持恆定的運動，
• 除非有外力的作用。

我們已經習慣了這種直線運動，就像冰球在冰面上滑行。但與所有物理定律一樣，牛頓定律也應適用於各種情況。甚至如果恆定的運動在圍繞太陽的橢圓軌道上，也應該適用。

愛因斯坦廣義相對論也同樣經過了無數次的科學測試，所以這個觀點受到人類有史以來最嚴格的約束。愛因斯坦的第一種解決方案是關於單一質量的弱場限制，就像太陽一樣，他把這些結果應用到我們的太陽系，取得了巨大的成功。我們可以把這個軌道看作地球（或任何行星）在圍繞太陽自由下落，在它自己的參照系中沿著直線運動。

“等一下，”我能聽到你反對說，“重力是外力，所以這不是恆定的運動！”

這是一個合理的反對理由，如果你思考運動的唯一方式是線性運動的話。直線運動是最簡單的一種運動，這就是我們通常學習牛頓定律的方法。推或拉的東西會加速，而把所有的外力都拿走，它就會保持恆定的運動。但還有另一種可能的運動：角度(或旋轉)運動。對於任何起源於地球的物體，包括我們圍繞太陽的運動。雖然帕克太陽能探測器可能被設計用來測量太陽的許多方面，但我們必須比以往更接近太陽，這意味著改變我們的角度運動。

太陽風和日冕在很長一段時間內都不為人所知，但自20世紀中期以來已經取得了許多進展。有了帕克太陽能探測器，許多長期存在的想法最終可以得到驗證，但只能通過進入日冕本身。

當我們從直線思維轉變為旋轉和軌道思維時，我們也必須從線性動量轉變為角動量。線性動量是物體的質量乘以速度，角動量是線性動量乘以物體的軌道距離（就是軌道半徑）。只要運動方向垂直於你從物體(比如地球)到它軌道上的物體(比如太陽)所畫的直線，這個工作就簡單而完美。

從太陽系的北向看，地球和火星的軌道是成比例的。根據開普勒第二定律，由於角動量守恆，每顆行星在相等的時間內掃出相等的面積。

牛頓第一定律，關於直線運動，告訴我們動量總是守恆的，改變動量的唯一方法是有一個外力。對於軌道式運動，它告訴我們角動量總是守恆的，唯一改變它的方法是有一個外部扭矩，這是一個改變旋轉運動的力。

對於地球上的任何物體，我們在繞太陽公轉的軌道上以30公里/秒的典型速度移動，我們在距太陽9300萬英里(1.5億公里)的典型距離上移動。角動量的數量是巨大的，沒有簡單的方法可以擺脫它。

由於角動量守恆，行星穩定地沿軌道運行。由於無法獲得或失去角動量，它們在未來的很長一段時間內都保持在各自的橢圓軌道上。

事實上，在太陽系中，只有兩種方法可以改變你的角動量：

• 攜帶一些火箭燃料並燃燒它，造成你自己的加速度（由燃料的同向和反向加速度進行平衡），或
• 利用重力輔助對你自己進行相對太陽的加速或減速。

帕克太陽能探測器為了工作，需要在離太陽600萬公里的最小距離內“接觸”並測量太陽日冕：日冕是一種過熱的等離子體區域，通常只有在日全食時才能觀測到。

被遮擋的太陽、可見的日冕以及圍繞著月亮陰影邊緣的淡紅色色調，是2017年日全食最壯觀的景象之一。否則，太陽的日冕通常是看不見的。

這需要失去很多角動量。帕克太陽能探測器被吹捧為有史以來人類發射速度最快的物體，這是因為它必須如此。它的發射臺是行星地球，它以大約30公里/秒的速度繞太陽運行，也就是說大約108000公里/小時。我們需要花費大量的燃料來減慢速度，這樣我們就可以更接近太陽，進入內部軌道，這是非常大且昂貴的。

相反，我們需要一系列的重力輔助，或者重力彈弓，來嘗試改變我們的軌道。只有涉及到第三個物體——比如另一顆行星——我們才能獲得或失去與“宇宙飛船-太陽”系統相關的必要角動量。

信使號的任務歷時7年，總共有6次重力協助和5次深空機動，最終到達了它的目的地：水星軌道。帕克太陽能探測器需要做更多的工作才能到達它的最終目的地：日冕。

在我們試圖到達太陽系內外時，我們已經做過很多次了。信使號飛船於2004年發射，飛過地球一次，然後給自己兩次加速並飛過金星，然後再次燃燒加速達到水星，之後又三次燃燒火箭，最終它在2011年進入穩定的水星軌道。

帕克太陽能探測器將採用類似的方法，使用金星作為其主要的引力輔助工具。它將以創紀錄的7次飛越太陽系中最熱的行星，以創造一個橢圓軌道，使它能夠飛到距太陽610萬公里以內。

它不只是用一套精巧的儀器來近距離測量太陽，儘管帕克太陽能探測器有這些儀器。雖然帕克太陽能探測器也有這種材料，但僅僅有一個厚的碳複合材料屏蔽層是不夠的。它還需要一個難以置信的複雜的計劃，讓你自己進入一個穩定的軌道，能夠讓你比以往任何時候都更接近太陽。

帕克太陽能探測器所要回答的科學問題只能從它與太陽極其接近的未來位置得到回答：距離太陽本身610萬公里以內。

觸摸太陽是一項非凡的技術成就，在短短几年內就會實現。這次發射非常成功，接下來幾年的重力輔助和一些深空機動應該會讓我們比以前更接近太陽。經過60年的理論研究，終於可以回答一系列關於離我們最近的恆星和一般恆星的熱門科學問題。由於多次近距離穿過日冕，這艘宇宙飛船可能註定最終會被燒燬，但它的設計至少能在三次成功的“接觸”太陽後倖存下來。這將是我們第一次從地球上發出如此接近太陽的東西。這只是因為一個非凡的飛行計劃，我們失去了足夠的角動量，這個任務有成功的機會。

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