探祕:深層解讀帕克太陽探測器不怕被太陽燙傷融化的高科技奧祕

觸碰太陽的帕克太陽探測器已經成功發射,朝著太陽無所畏懼地邁進。

太陽是太陽系的主體,無時無刻不在散發著光和熱,僅太陽表面溫度就有約 5500 攝氏度,其中心溫度達到了驚人的2000萬攝氏度 ,而日冕層溫度大概約5 × 106 攝氏度,太陽表面溫度約為6000℃,在這樣的高溫下,一切物質只能以氣態存在。

探秘:深層解讀帕克太陽探測器不怕被太陽燙傷融化的高科技奧秘

而此次帕克號將發射進入太陽大氣層的深度,比之前的任何任務都要深。即日冕區域,因為在日冕區域可以瞭解是到底是什麼驅使大量的粒子、能量和熱量穿過該區域,向外拋射粒子進入太陽系,甚至遠遠超過海王星的範圍。當然,在日冕內部,溫度也高得難以想象。當受到強烈陽光的轟擊時,宇宙飛船將在溫度超過100萬華氏度的物質中穿行。那麼問題來了:在這麼高的溫度下,帕克號怎樣才能防止不被燙傷融化呢?

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當熱,首先是帕克號的神奇盾牌防護罩。帕克太陽探測器使用的防熱罩被稱為熱保護系統,或TPS,位於用鈦框架構造的大型散熱器的頂部,直徑約8英尺(2.4米),厚度約4.5英寸(115毫米)。這幾英寸的保護意味著,就在護盾的另一邊,航天器的身體將會舒適地處於華氏85度(30攝氏度)。據瞭解,該防護罩採用碳碳先進技術(carbon - carbon Advanced Technologies)建造,簡單來說,就是夾在兩塊碳板之間的碳複合泡沫材料。這種輕質的隔熱材料再加上在太陽面板上塗上白色的陶瓷漆,可以儘可能多地反射熱量。經過測試,TPS能夠承受高達3000華氏度(1650攝氏度)的高溫,能夠承受太陽發出的任何熱量,保持幾乎所有儀器的安全。當帕克號的防護罩在航天器飛往太陽表面的過程中,這種結構使太空船的有效載荷始終保持在陰涼黑暗的陰影中,自由地翱翔。當然,為了在日冕層手機數據,所以並不是所有的太陽能帕克探測儀器都在TPS背後。

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比如從隔熱罩上探出的太陽能探測杯是派克太陽能探測器上兩種不受隔熱罩保護的儀器之一。這種儀器被稱為法拉第杯(Faraday cup),是一種用來測量來自太陽風的離子、電子通量和氣流角度的傳感器。由於太陽大氣層的強度,必須設計出獨特的技術,以確保儀器不僅能存活下來,而且船上的電子設備還能傳回準確的讀數。杯子本身是由Titanium-Zirconium-Molybdenum(鈦、鋯、鉬),簡稱鉬合金,其熔點約4260 F(2349 C)。而太陽能的網格產生電場探測杯是由鎢構成、其熔點最高達6192 F(3422 C)。而這些網格的網格線由激光蝕刻而成,被高熔點酸代替。那麼有人會問:日冕層的溫度遠遠高於這些構造所承受的溫度,怎麼會不融化呢?這就要提到另一個科學常識了!

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那就是熱與溫度的關係。在生活中,其實高溫並不總是會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,而不會給給定的物體帶來明顯的熱量或感到熱。為什麼?溫度取決於粒子運動的速度,而熱量則衡量它們傳遞的總能量。粒子可能運動得很快(高溫),但如果它們很少,它們就不會傳遞太多能量(低熱量)。由於空間大部分是空的,所以能夠將能量傳遞給航天器的粒子非常少。帕克太陽能探測器通過的日冕溫度極高,但密度極低。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(注意安全,別輕易嘗試!),比如在烤箱,它內壁是300萬度的等離子體,你的手如果不碰到內壁而置於其中,可以承受高溫顯著超過在水中,因為在水中有更多的粒子。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粒子相互作用,也不會接收到太多的熱量。這意味著,雖然帕克太陽能探測器將在一個溫度為數百萬度的空間中飛行,但面對太陽的隔熱層表面只會被加熱到約2500華氏度(約1400攝氏度)。

因此,設計這艘飛船的科學家和工程師更關心的是,航天器上的科學儀器和設備在任務期間會凍結而不是融化。為了避免這種情況,這些儀器和設備的外部都用熱毯包裹,並與單獨的太陽能加熱器配對。

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另一個挑戰來自於電子線路——大多數電纜在如此接近太陽的環境下暴露在熱輻射中會融化。為了解決這個問題,這個團隊種植了藍寶石水晶管來懸掛電線,並用鈮來製作電線。

其他幾項航天器設計使帕克太陽能探測器免受高溫。如果沒有保護,太陽能電池板就會過熱。太陽能電池板利用正在研究的恆星的能量為航天器提供動力。每次接近太陽時,太陽陣列都會收縮到隔熱罩的陰影后面,只留下一小部分暴露在強烈的陽光下。比如帕克號的太陽能電池陣列有一個驚人的簡單的冷卻系統:一個在發射過程中防止冷卻劑凍結的加熱水箱,兩個防止冷卻劑凍結的散熱器,鋁翅片最大化冷卻表面,泵循環冷卻劑。這個冷卻系統足夠強大,可以給普通大小的客廳降溫,並且可以在太陽的熱量下保持太陽能電池陣列和儀器的冷卻和工作。

系統使用的冷卻劑是大約一加侖(3.7升)去離子水。雖然存在大量的化學冷卻劑,但航天器暴露在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。為了防止水在較高的溫度下沸騰,水會被加壓使沸點超過257華氏度(125攝氏度)。

保護任何航天器的另一個問題是如何與之通信。帕克太陽能探測器將主要是單獨的旅程。光需要8分鐘才能到達地球——這意味著如果工程師們不得不從地球上控制飛船,到出事的時候已經太晚了。

因此,航天器的設計是為了自動保持自身的安全,並沿著太陽的軌道運行。幾個大約只有手機一半大小的傳感器沿著隔熱板陰影的邊緣附著在航天器的身體上。如果這些傳感器探測到陽光,它們就會提醒中央計算機,宇宙飛船就能糾正它的位置,使傳感器和其他儀器得到安全保護。所有這一切都必須在沒有任何人為干預的情況下發生,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進行。

科學家表示,在發射後,帕克號將會探測到太陽的位置,將熱防護屏對準太陽,並在接下來的三個月裡繼續它的旅程。在計劃的7年任務期間,宇宙飛船將圍繞太陽星運行24圈。在每一次接近太陽的過程中,它都會對太陽風進行採樣,研究太陽的日冕,並從太陽周圍提供前所未有的近距離觀測,當然帕克號所擁有的一系列創新技術會讓它一直保持涼爽,圓滿地把任務完成。


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