奔赴與太陽最親密的約會——特制隔熱罩和冷卻系統讓帕克探測器不被融化

帕克太陽探測器將于8月初發射升空，科學家采取了各種手段確保其不被融化。

圖片來源：NASA官網

今日視點

如果一切按計劃進行，8月4日，美國國家航空航天局(NASA)耗資15億美元的帕克太陽探測器(Parker Solar Probe，以下簡稱帕克)將發射升空。在未來7年間，帕克將繞太陽運行24圈，并逐漸縮短與后者的距離，最終在距離太陽表面約620萬公里(處于日冕的范圍之內)的位置飛行。屆時，其與太陽的距離相當于1976年德國“太陽神2”號探測器所創紀錄的1/7。

帕克與太陽如此親密的接觸，只為回答一些關于太陽懸而未決的重大問題，例如，為什么日冕的溫度高達數百萬攝氏度，但太陽表面溫度卻沒有那么高？它還將造訪太陽風的誕生地。太陽風是以高達800公里/秒的速度沖向太陽系的高能粒子流。當太陽風猛烈襲擊地球時，會產生美麗的極光，但同時也會干擾衛星通信和導航系統。

這艘太空船將穿越溫度高得令人難以想象的日冕，同時受到強烈的陽光照射。那么，帕克為什么不怕被融化呢？物理學家組織網在近日的報道中解釋稱，關鍵在于其特制的隔熱罩以及一套冷卻系統。

熱量與高溫并非一回事

理解帕克探測器及其攜帶儀器保持安全的一個關鍵是，理解熱與溫度的概念。

美國約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的熱保護系統工程師貝奇·康登解釋稱，溫度與粒子移動的速度有關；熱則與粒子傳輸的總能量有關。粒子可能快速移動(高溫)，但如果它們的數量很少，就不會傳遞太多能量(低熱)。帕克將穿越的日冕內溫度極高但密度非常低，航天器僅與較少的熱顆粒相互作用，因此不會接收到太多熱量。

這意味著，當帕克穿過幾百萬攝氏度高溫時，面向太陽的隔熱罩表面將僅被加熱到大約1400攝氏度。

保護航天器的隔熱罩

當然，數千攝氏度高溫也非常熱。為了耐受這種熱，帕克使用名為“熱保護系統”的隔熱罩(TPS)，其直徑約2.4米、厚度約115毫米，位于這層隔熱罩背后的探測器機身，溫度將保持在舒適的30攝氏度。約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室設計這個隔熱罩，由兩塊碳板之間夾著一塊碳復合泡沫堆疊而成，經測試其可承受1650攝氏度高溫，幾乎可保障所有儀器的安全。

但并非帕克上的所有設備都置于隔熱罩的“羽翼”之下。

比如，太陽探測杯會伸出隔熱罩，是兩種不受隔熱罩保護的儀器之一。這種探測杯就是“法拉第杯”，一種測量太陽風的離子和電子通量以及流動角度的傳感器。研究人員采用了獨特技術，不僅確保儀器無損，其上的電子設備還可發回準確的讀數。

探測杯本身由鈦—鋯—鉬制成，熔點約為2349攝氏度；為其產生電場的芯片由鎢(已知最高熔點為3422攝氏度)制成；芯片中的網格線用激光蝕刻而成。

另一個挑戰與電子布線有關：大多數電纜會因如此靠近太陽的熱輻射而融化。為解決這個問題，該團隊使用藍寶石水晶管來懸掛電線，并用鈮制成電線。研究人員在實驗室中真實模擬了太陽的強烈熱輻射，對探測杯的表現進行測試，結果表明，其通過了測試。事實上，它暴露于測試環境的時間越長，給出的結果越清晰。

簡單卻功能強大的冷卻系統

此外，還有一些“英雄”，默默保護著帕克免受太陽高溫的“迫害”。

在每次接近太陽的過程中，帕克上的太陽能電池陣列都會縮回到隔熱罩的陰影后，只留一小部分暴露在太陽的強烈光線下。為此，太陽能電池板上布置了冷卻系統：一個加熱罐和兩個散熱器可防止冷卻劑凍結；鋁散熱片可最大限度地讓表面冷卻；泵可循環冷卻劑。冷卻系統盡管簡單，但功能強大，足以保持太陽能陣列和儀器的冷卻和運行。

冷卻液是大約一加侖(3.7升)的去離子水，而且，為防止水在較高溫度下沸騰，它將被加壓，因此沸點超過125攝氏度。

保護航天器的另一個問題是弄清楚如何與之通信。帕克太陽探測器將在很大程度上孤獨地踏上這段漫長的旅程。如果工程師必須從地球上控制航天器，那么得到的信息到達地球需要8分鐘，這意味著當出現問題時，糾正它將為時已晚，因此，帕克的設計旨在讓其追逐太陽并保持自身安全。幾個大約手機一半大小的傳感器沿著隔熱罩的陰影邊緣，被附著到帕克的艙體上。如果這些傳感器中的任何一個檢測到太陽光，它們會向中央計算機發出警報，探測器可糾正其位置，以保護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的情況下發生，為此，中央計算機軟件已經過編程和廣泛測試，以確保可以實時進行所有校正。

(科技日報北京7月23日電)

[責任編輯：楊凡、楊婷婷]

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