《太陽之旅》：為什麼帕克太陽能探測器不會融化？

《太陽之旅》:為什麼帕克太陽能探測器不會融化?

今年夏天，美國NASA的帕克太陽能探測器將發射到離太陽更近的地方，比之前的任何任務都要深入太陽大氣層。如果地球在一根線桿的一端，太陽在另一端，帕克太陽能探測器將會到達離太陽表面不到四英寸的地方。

在這片被稱為日冕的太陽大氣層內部，帕克太陽探測器將提供前所未有的觀測，了解是什麼推動了粒子、能量和熱量在這片區域內的廣泛傳播——將粒子向外拋向太陽系，遠遠超過海王星。

在日冕內，當然也有難以想像的熱。宇宙飛船將穿越溫度超過百萬華氏度的物質，同時受到強烈的太陽光的轟擊。

為什麼它不會融化?

帕克太陽能探測器的設計是為了能夠承受任務的極端條件和溫度波動。關鍵在於它的自定義熱屏蔽和一個自動系統，幫助保護任務不受太陽強烈的光發射，但確實允許日冕物質「觸摸」太空器。

為什麼它不會融化

要理解是什麼保證了太空器和儀器的安全，關鍵是要理解熱量和溫度的概念。與直覺相反，高溫並不總是轉化為實際加熱另一個物體。

在太空中，溫度可以達到數千度，而不會對給定的物體產生明顯的熱量，也不會感到熱。為什麼?溫度測量粒子運動的速度，而熱量則測量它們傳遞的總能量。粒子可能運動得很快(溫度很高)，但如果它們很少，它們就不會傳遞很多能量(低熱量)。由於空間幾乎是空的，所以很少有粒子能將能量傳遞給太空器。

例如，帕克太陽能探測器通過的日冕具有極高的溫度，但密度非常低。想把你的手在熱氣騰騰的爐灶前的區別和把它在一壺沸騰的水(不要在家里嘗試這些!)——在烤箱,你的手可以承受高溫顯著超過在水中,與更多的粒子。同樣的，與太陽的可見表面相比，日冕密度較低，因此太空器與較少的熱粒子相互作用，接收不到那麼多熱量。

這意味著，雖然帕克太陽能探測器將穿越一個溫度高達幾百萬度的空間，但面對太陽的隔熱層表面的溫度只會上升到大約2500華氏度(約1400攝氏度)。

保護它的盾

當然，幾千華氏度的高溫仍然讓人難以置信。(相比之下,熔巖從火山噴發可以1300到2200 F(700和1200 C)和熱承受,帕克太陽探測器使用的防熱罩被稱為熱保護系統,或TPS,8英尺(2.4米)直徑4.5英寸(115毫米)厚。這幾英寸的保護意味著，在護盾的另一邊，太空器的身體將舒適地保持在85華氏度(30攝氏度)。

TPS是由約翰霍普金斯應用物理實驗室設計的，採用碳碳先進技術，使用夾在兩個碳板之間的碳復合泡沫。這種輕量的隔熱層還會在太陽能板上塗上白色陶瓷漆，以盡可能多地反射熱量。經過測試，TPS可以承受高達3000華氏度(1650攝氏度)的溫度，它可以承受太陽發出的任何熱量，幾乎所有的儀器都是安全的。

測量風的杯子

但是並不是所有的太陽能帕克探測器都將在TPS之後。

太陽能探頭杯是派克太陽能探頭上的兩種儀器之一，它不會受到隔熱板的保護。這個儀器就是所謂的法拉第杯，它是一個傳感器，用來測量來自太陽風的離子、電子通量和氣流角度。由於太陽大氣的強度，必須設計出獨特的技術，以確保儀器不僅能夠存活，而且還能保證船上的電子設備能夠發回準確的讀數。

杯子本身是由張Titanium-Zirconium-Molybdenum,鉬的合金,熔點約4260 F(2349 C)。太陽能的晶片產生電場探測杯是由鎢、金屬的熔點最高的6192 F(3422 C)。通常使用雷射蝕刻這些晶片的網格線,然而由於高熔點酸代替。

另一項挑戰來自於電子線路——大多數電纜在如此接近太陽的溫度下，會因為暴露在熱輻射下而融化。為了解決這一問題，研究小組培育了藍寶石晶體管來懸掛電線，並用鈮製作電線。

為了確保儀器能夠適應惡劣的環境，研究人員需要在實驗室里模擬太陽的強烈熱輻射。為了創造一個值得測試的溫度水平，研究人員使用了粒子加速器和IMAX投影儀——臨時安裝以提高溫度。放映機模擬太陽的熱量，粒子加速器將杯子暴露在輻射中，以確保杯子能夠測量在強烈環境下加速的粒子。為了確保太陽能探頭杯能夠經受住嚴酷的環境，Odeillo太陽能電爐——通過1萬個可調節的鏡子來集中太陽的熱量——被用來測試對強烈的太陽輻射的杯子。

「太陽探針杯」通過了飛行測試——事實上，它在測試環境中暴露的時間越長，表現越好，結果越清晰。「我們認為，輻射消除了任何潛在的污染，」位於安娜堡的密歇根大學SWEAP儀器的首席研究員Justin Kasper說。「這基本上清理本身。」

保持涼爽的宇宙飛船

在太空器上的其他幾個設計使帕克太陽能探測器免受高溫的影響。如果沒有保護，太陽能電池板就會過熱。太陽能電池板使用的正是被研究的恒星的能量，為太空器提供動力。在太陽的每一種方法中，太陽陣列都在熱屏蔽的陰影後面收縮，只留下一小部分暴露在太陽強烈的光線下。

但是離太陽那麼近，就需要更多的保護。太陽能電池陣列有一個令人驚訝的簡單的冷卻系統:一個加熱的水箱，可以在發射過程中防止冷卻劑凍結;兩個散熱器可以防止冷卻劑凍結;鋁散熱片可以最大化冷卻表面;冷卻系統足夠強大，可以冷卻一個普通大小的客廳，並且可以在太陽的高溫下保持太陽能電池陣列和儀器的冷卻和工作。

用於系統的冷卻劑?大約一加侖(3.7升)的去離子水。雖然有大量的化學冷卻劑存在，但是宇宙飛船暴露在50華氏度(10攝氏度)和257華氏度(125攝氏度)之間的溫度範圍是不同的。為了防止水在更高的溫度下沸騰，它將被加壓，所以沸點超過257 F(125攝氏度)。

保護任何太空器的另一個問題是如何與它通信。帕克太陽能探測器將在很大程度上是唯一一個踏上征程的。到達地球需要8分鐘的時間——這意味著如果工程師不得不從地球上控制太空器，那麼當出現問題的時候，要想糾正就太晚了。

因此，宇宙飛船的設計是為了自動保護自己的安全，並沿著軌道到達太陽。幾個傳感器，大約手機的一半大小，沿著隔熱板陰影的邊緣附著在太空器的身體上。如果這些傳感器中有任何一個檢測到陽光，它們就會向中央計算機發出警報，太空器就能糾正位置，以確保傳感器和其他儀器得到安全保護。這一切都是在沒有任何人工干預的情況下發生的，因此中央計算機軟件已經被編程並進行了廣泛的測試，以確保所有的修正都能在運行中完成。

啟動向太陽

發射後，派克太陽能探測器將探測到太陽的位置，將熱防護屏對準太陽，並在接下來的三個月里繼續它的旅程，擁抱太陽的熱量，保護自己不受空間的寒冷真空的影響。

在7年的計劃任務期間，飛船將繞我們的恒星運行24圈。在每一個靠近太陽的地方，它都會采集太陽風樣本，研究太陽的日冕，並提供來自我們恒星周圍前所未有的近距離觀測——我們知道，借助它的一系列創新技術，它將一直保持涼爽。