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特制隔热罩和冷却系统让帕克太阳探测器不被融化《资讯》

发布时间:2020-08-17 12:45:42 阅读: 来源:热缩套厂家

2018-07-24 10:09:43来源: 贤集网

如果一切按计划进行,8月4日,美国国家航空航天局(NASA)耗资15亿美元的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe,以下简称帕克)将发射升空。在未来7年间,帕克将绕太阳运行24圈,并逐渐缩短与后者的距离,最终在距离太阳表面约620万公里(处于日冕的范围之内)的位置飞行。届时,其与太阳的距离相当于1976年德国“太阳神2”号探测器所创纪录的1/7。

帕克与太阳如此亲密的接触,只为回答一些关于太阳悬而未决的重大问题,例如,为什么日冕的温度高达数百万摄氏度,但太阳表面温度却没有那么高?它还将造访太阳风的诞生地。太阳风是以高达800公里/秒的速度冲向太阳系的高能粒子流。当太阳风猛烈袭击地球时,会产生美丽的极光,但同时也会干扰卫星通信和导航系统。

这艘太空船将穿越温度高得令人难以想象的日冕,同时受到强烈的阳光照射。那么,帕克为什么不怕被融化呢?物理学家组织网在近日的报道中解释称,关键在于其特制的隔热罩以及一套冷却系统。

热量与高温并非一回事

理解帕克探测器及其携带仪器保持安全的一个关键是,理解热与温度的概念。

美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的热保护系统工程师贝奇·康登解释称,温度与粒子移动的速度有关;热则与粒子传输的总能量有关。粒子可能快速移动(高温),但如果它们的数量很少,就不会传递太多能量(低热)。帕克将穿越的日冕内温度极高但密度非常低,航天器仅与较少的热颗粒相互作用,因此不会接收到太多热量。

这意味着,当帕克穿过几百万摄氏度高温时,面向太阳的隔热罩表面将仅被加热到大约1400摄氏度。

保护航天器的隔热罩

当然,数千摄氏度高温也非常热。为了耐受这种热,帕克使用名为“热保护系统”的隔热罩(TPS),其直径约2.4米、厚度约115毫米,位于这层隔热罩背后的探测器机身,温度将保持在舒适的30摄氏度。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计这个隔热罩,由两块碳板之间夹着一块碳复合泡沫堆叠而成,经测试其可承受1650摄氏度高温,几乎可保障所有仪器的安全。

但并非帕克上的所有设备都置于隔热罩的“羽翼”之下。

比如,太阳探测杯会伸出隔热罩,是两种不受隔热罩保护的仪器之一。这种探测杯就是“法拉第杯”,一种测量太阳风的离子和电子通量以及流动角度的传感器。研究人员采用了独特技术,不仅确保仪器无损,其上的电子设备还可发回准确的读数。

探测杯本身由钛—锆—钼制成,熔点约为2349摄氏度;为其产生电场的芯片由钨(已知最高熔点为3422摄氏度)制成;芯片中的网格线用激光蚀刻而成。

另一个挑战与电子布线有关:大多数电缆会因如此靠近太阳的热辐射而融化。为解决这个问题,该团队使用蓝宝石水晶管来悬挂电线,并用铌制成电线。研究人员在实验室中真实模拟了太阳的强烈热辐射,对探测杯的表现进行测试,结果表明,其通过了测试。事实上,它暴露于测试环境的时间越长,给出的结果越清晰。

简单却功能强大的冷却系统

此外,还有一些“英雄”,默默保护着帕克免受太阳高温的“迫害”。

在每次接近太阳的过程中,帕克上的太阳能电池阵列都会缩回到隔热罩的阴影后,只留一小部分暴露在太阳的强烈光线下。为此,太阳能电池板上布置了冷却系统:一个加热罐和两个散热器可防止冷却剂冻结;铝散热片可最大限度地让表面冷却;泵可循环冷却剂。冷却系统尽管简单,但功能强大,足以保持太阳能阵列和仪器的冷却和运行。

冷却液是大约一加仑(3.7升)的去离子水,而且,为防止水在较高温度下沸腾,它将被加压,因此沸点超过125摄氏度。

保护航天器的另一个问题是弄清楚如何与之通信。帕克太阳探测器将在很大程度上孤独地踏上这段漫长的旅程。如果工程师必须从地球上控制航天器,那么得到的信息到达地球需要8分钟,这意味着当出现问题时,纠正它将为时已晚,因此,帕克的设计旨在让其追逐太阳并保持自身安全。几个大约手机一半大小的传感器沿着隔热罩的阴影边缘,被附着到帕克的舱体上。如果这些传感器中的任何一个检测到太阳光,它们会向中央计算机发出警报,探测器可纠正其位置,以保护传感器和其他仪器的安全。这一切都必须在没有任何人为干预的情况下发生,为此,中央计算机软件已经过编程和广泛测试,以确保可以实时进行所有校正。

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