在太陽大氣層的一部分，一個(gè)被稱為日冕的區(qū)域，帕克太陽能探測器將提供前所未有的觀測，推動(dòng)通過該區(qū)域的各種粒子，能量和熱量 - 將粒子向外投射到太陽系中過去的海王星。

在日冕里面，它當(dāng)然也是難以想象的熱。太空船將穿過溫度超過一百萬華氏度的物質(zhì)，同時(shí)受到強(qiáng)烈的陽光照射。

那么，它為什么不融化?

派克太陽能探測器設(shè)計(jì)用于承受任務(wù)的極端條件和溫度波動(dòng)。關(guān)鍵在于其定制隔熱罩和自動(dòng)系統(tǒng)，有助于保護(hù)任務(wù)免受太陽強(qiáng)烈的光發(fā)射，但確實(shí)允許日冕材料“觸摸”航天器。

它為何不會(huì)融化的科學(xué)背后

理解保持航天器及其儀器安全的一個(gè)關(guān)鍵是理解熱量與溫度的概念。與直覺相反，高溫并不總能轉(zhuǎn)化為實(shí)際加熱另一個(gè)物體。

在太空中，溫度可以是幾千度，而不會(huì)給予給定物體顯著的熱量或感覺很熱。為什么?溫度測量粒子移動(dòng)的速度，而熱量測量它們傳輸?shù)目偰芰?。顆?？赡芸焖僖苿?dòng)(高溫)，但如果它們很少，它們將不會(huì)傳遞太多能量(低熱量)。由于空間大部分是空的，因此很少有能夠?qū)⒛芰總鬟f給航天器的粒子。

例如，Parker Solar Probe飛行的日冕具有極高的溫度但密度非常低。想想把手放在熱爐中與把它放在一盆開水中之間的區(qū)別(不要在家里試試!) - 在烤箱里，你的手可以承受比在水中更長的溫度更長的溫度它必須與更多粒子相互作用。類似地，與太陽的可見表面相比，日冕的密度較小，因此航天器與較少的熱顆粒相互作用并且不會(huì)接收太多的熱量。

這意味著，當(dāng)帕克太陽能探測器將穿過溫度為幾百萬度的空間時(shí)，面向太陽的隔熱罩表面將僅被加熱到大約2,500華氏度(大約1,400攝氏度)。

保護(hù)它的盾牌

當(dāng)然，數(shù)千華氏度仍然非常熱。(相比之下，火山噴發(fā)的熔巖可以在1,300至2,200華氏度(700至1,200攝氏度)之間。為了承受這種熱量，派克太陽能探測器使用稱為熱保護(hù)系統(tǒng)的熱屏蔽，或TPS，即8直徑為2.4英尺(約合115毫米)的腳(2.4米)。這幾英寸的保護(hù)意味著只需要在屏蔽的另一側(cè)，航天器的機(jī)身將保持舒適的85華氏度(30攝氏度)。

TPS由約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，由Carbon-Carbon Advanced Technologies建造，使用夾在兩塊碳板之間的碳復(fù)合泡沫。這種輕質(zhì)隔熱材料將在朝陽板上涂上白色陶瓷涂料，以盡可能多地反射熱量。經(jīng)測試可承受高達(dá)3,000 F(1,650 C)的溫度，TPS可以處理太陽能發(fā)送的任何熱量，幾乎可以保證所有儀器的安全。

測量風(fēng)的杯子

但并非所有的太陽能派克探測儀器都將落后于TPS。

太陽能探測杯伸出隔熱罩，是派克太陽能探測器上不受隔熱罩保護(hù)的兩種儀器之一。這種儀器就是所謂的法拉第杯，一種用于測量太陽風(fēng)的離子和電子通量以及流動(dòng)角度的傳感器。由于太陽大氣的強(qiáng)度，必須設(shè)計(jì)獨(dú)特的技術(shù)，以確保儀器不僅能夠存活，而且船上的電子設(shè)備還可以發(fā)回準(zhǔn)確的讀數(shù)。

杯子本身由鈦 - 鋯 - 鉬合金片制成，鉬合金的熔點(diǎn)約為4,260°F(2,349℃)。為太陽能探測杯產(chǎn)生電場的芯片由鎢制成，這種金屬的最高熔點(diǎn)為6,192華氏度(3,422攝氏度)。通常使用激光來蝕刻這些芯片中的網(wǎng)格線 - 但是由于高熔點(diǎn)，必須使用酸。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是以電子布線的形式出現(xiàn) - 大多數(shù)電纜會(huì)因暴露在太陽附近的熱輻射而融化。為了解決這個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)使用藍(lán)寶石水晶管來懸掛布線，并用鈮制成電線。

為確保儀器為惡劣環(huán)境做好準(zhǔn)備，研究人員需要在實(shí)驗(yàn)室中模擬太陽的強(qiáng)烈熱輻射。為了創(chuàng)造一個(gè)具有測試價(jià)值的熱量，研究人員使用粒子加速器和IMAX投影儀 - 陪審團(tuán)操縱以提高其溫度。投影儀模仿太陽的熱量，而粒子加速器將杯子暴露在輻射下以確保杯子可以在強(qiáng)烈條件下測量加速粒子。為了絕對確保太陽能探測杯能夠承受惡劣的環(huán)境，Odeillo太陽能爐 - 通過10,000個(gè)可調(diào)節(jié)的鏡子將太陽的熱量集中在一起 - 用于測試杯子對抗強(qiáng)烈的太陽輻射。

太陽能探測杯以其絢麗的色彩通過了測試 - 事實(shí)上，它繼續(xù)表現(xiàn)更好，并且在暴露于測試環(huán)境的時(shí)間越長，結(jié)果越清晰。“我們認(rèn)為輻射可以消除任何潛在的污染，”密歇根大學(xué)安娜堡分校SWEAP儀器的首席研究員賈斯汀卡斯帕說。“它基本上清理了自己。”

保持涼爽的航天器

航天器上的其他幾種設(shè)計(jì)使派克太陽能探測器免受高溫的影響。如果沒有保護(hù)，太陽能電池板 - 它們利用被研究的恒星的能量為太空船提供動(dòng)力 - 會(huì)過熱。在每次進(jìn)入太陽的過程中，太陽能電池陣列都會(huì)在隔熱罩的陰影后面縮回，只留下一小部分暴露在太陽的強(qiáng)烈光線下。

但是那個(gè)接近太陽的地方，需要更多的保護(hù)。太陽能電池組具有令人驚訝的簡單冷卻系統(tǒng)：一個(gè)加熱罐，可防止冷卻劑在發(fā)射過程中凍結(jié)，兩個(gè)散熱器可防止冷卻劑凍結(jié)，鋁散熱片可最大限度地冷卻表面，泵可循環(huán)冷卻劑。冷卻系統(tǒng)功能強(qiáng)大，足以冷卻平均大小的起居室，并在太陽熱的時(shí)候保持太陽能電池陣列和儀器的冷卻和運(yùn)行。

用于系統(tǒng)的冷卻液?大約一加侖(3.7升)的去離子水。雖然存在大量化學(xué)冷卻劑，但航天器將暴露的溫度范圍在50華氏度(10攝氏度)和25華氏度(125攝氏度)之間變化。很少有液體可以處理像水這樣的范圍。為了防止水在較高的溫度下沸騰，它將被加壓，因此沸點(diǎn)超過257華氏度(125攝氏度)。

保護(hù)任何航天器的另一個(gè)問題是弄清楚如何與之通信。帕克太陽能探測器將在很大程度上獨(dú)自行進(jìn)。它需要8分鐘才能到達(dá)地球 - 這意味著如果工程師必須從地球上控制宇宙飛船，那么當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，糾正它將為時(shí)已晚。

因此，該航天器的設(shè)計(jì)旨在使其自身安全并與太陽保持同步。幾個(gè)傳感器，大約是手機(jī)大小的一半，沿著來自隔熱罩的陰影邊緣連接到航天器的主體上。如果這些傳感器中的任何一個(gè)檢測到太陽光，它們會(huì)向中央計(jì)算機(jī)發(fā)出警報(bào)，并且航天器可以糾正其位置，以保護(hù)傳感器和其他儀器的安全。這一切都必須在沒有任何人為干預(yù)的情況下發(fā)生，因此中央計(jì)算機(jī)軟件已經(jīng)過編程和廣泛測試，以確?？梢约磿r(shí)進(jìn)行所有校正。

向太陽發(fā)射

發(fā)射后，派克太陽能探測器將檢測太陽的位置，對準(zhǔn)熱保護(hù)罩以對抗它并繼續(xù)其未來三個(gè)月的旅程，擁抱太陽的熱量并保護(hù)自己免受空間的冷真空影響。

在計(jì)劃任務(wù)持續(xù)七年的過程中，宇宙飛船將制造我們恒星的24個(gè)軌道。在每次接近太陽的過程中，它將對太陽風(fēng)進(jìn)行采樣，研究太陽的日冕，并提供來自我們恒星周圍的前所未有的近距離觀測 - 并且擁有一系列創(chuàng)新技術(shù)，我們知道它將始終保持涼爽。