到太阳旅行：为什么Parker Solar Probe不能融化？

在太阳大气层的一部分，一个被称为日冕的区域，帕克太阳能探测器将提供前所未有的观测，推动通过该区域的各种粒子，能量和热量 - 将粒子向外投射到太阳系中过去的海王星。

在日冕里面，它当然也是难以想象的热。太空船将穿过温度超过一百万华氏度的物质，同时受到强烈的阳光照射。

那么，它为什么不融化?

派克太阳能探测器设计用于承受任务的极端条件和温度波动。关键在于其定制隔热罩和自动系统，有助于保护任务免受太阳强烈的光发射，但确实允许日冕材料“触摸”航天器。

它为何不会融化的科学背后

理解保持航天器及其仪器安全的一个关键是理解热量与温度的概念。与直觉相反，高温并不总能转化为实际加热另一个物体。

在太空中，温度可以是几千度，而不会给予给定物体显着的热量或感觉很热。为什么?温度测量粒子移动的速度，而热量测量它们传输的总能量。颗粒可能快速移动(高温)，但如果它们很少，它们将不会传递太多能量(低热量)。由于空间大部分是空的，因此很少有能够将能量传递给航天器的粒子。

例如，Parker Solar Probe飞行的日冕具有极高的温度但密度非常低。想想把手放在热炉中与把它放在一盆开水中之间的区别(不要在家里试试!) - 在烤箱里，你的手可以承受比在水中更长的温度更长的温度它必须与更多粒子相互作用。类似地，与太阳的可见表面相比，日冕的密度较小，因此航天器与较少的热颗粒相互作用并且不会接收太多的热量。

这意味着，当帕克太阳能探测器将穿过温度为几百万度的空间时，面向太阳的隔热罩表面将仅被加热到大约2,500华氏度(大约1,400摄氏度)。

保护它的盾牌

当然，数千华氏度仍然非常热。(相比之下，火山喷发的熔岩可以在1,300至2,200华氏度(700至1,200摄氏度)之间。为了承受这种热量，派克太阳能探测器使用称为热保护系统的热屏蔽，或TPS，即8直径为2.4英尺(约合115毫米)的脚(2.4米)。这几英寸的保护意味着只需要在屏蔽的另一侧，航天器的机身将保持舒适的85华氏度(30摄氏度)。

TPS由约翰霍普金斯大学应用物理实验室设计，由Carbon-Carbon Advanced Technologies建造，使用夹在两块碳板之间的碳复合泡沫。这种轻质隔热材料将在朝阳板上涂上白色陶瓷涂料，以尽可能多地反射热量。经测试可承受高达3,000 F(1,650 C)的温度，TPS可以处理太阳能发送的任何热量，几乎可以保证所有仪器的安全。

测量风的杯子

但并非所有的太阳能派克探测仪器都将落后于TPS。

太阳能探测杯伸出隔热罩，是派克太阳能探测器上不受隔热罩保护的两种仪器之一。这种仪器就是所谓的法拉第杯，一种用于测量太阳风的离子和电子通量以及流动角度的传感器。由于太阳大气的强度，必须设计独特的技术，以确保仪器不仅能够存活，而且船上的电子设备还可以发回准确的读数。

杯子本身由钛 - 锆 - 钼合金片制成，钼合金的熔点约为4,260°F(2,349℃)。为太阳能探测杯产生电场的芯片由钨制成，这种金属的最高熔点为6,192华氏度(3,422摄氏度)。通常使用激光来蚀刻这些芯片中的网格线 - 但是由于高熔点，必须使用酸。

另一个挑战是以电子布线的形式出现 - 大多数电缆会因暴露在太阳附近的热辐射而融化。为了解决这个问题，该团队使用蓝宝石水晶管来悬挂布线，并用铌制成电线。

为确保仪器为恶劣环境做好准备，研究人员需要在实验室中模拟太阳的强烈热辐射。为了创造一个具有测试价值的热量，研究人员使用粒子加速器和IMAX投影仪 - 陪审团操纵以提高其温度。投影仪模仿太阳的热量，而粒子加速器将杯子暴露在辐射下以确保杯子可以在强烈条件下测量加速粒子。为了绝对确保太阳能探测杯能够承受恶劣的环境，Odeillo太阳能炉 - 通过10,000个可调节的镜子将太阳的热量集中在一起 - 用于测试杯子对抗强烈的太阳辐射。

太阳能探测杯以其绚丽的色彩通过了测试 - 事实上，它继续表现更好，并且在暴露于测试环境的时间越长，结果越清晰。“我们认为辐射可以消除任何潜在的污染，”密歇根大学安娜堡分校SWEAP仪器的首席研究员贾斯汀卡斯帕说。“它基本上清理了自己。”

保持凉爽的航天器

航天器上的其他几种设计使派克太阳能探测器免受高温的影响。如果没有保护，太阳能电池板 - 它们利用被研究的恒星的能量为太空船提供动力 - 会过热。在每次进入太阳的过程中，太阳能电池阵列都会在隔热罩的阴影后面缩回，只留下一小部分暴露在太阳的强烈光线下。

但是那个接近太阳的地方，需要更多的保护。太阳能电池组具有令人惊讶的简单冷却系统：一个加热罐，可防止冷却剂在发射过程中冻结，两个散热器可防止冷却剂冻结，铝散热片可最大限度地冷却表面，泵可循环冷却剂。冷却系统功能强大，足以冷却平均大小的起居室，并在太阳热的时候保持太阳能电池阵列和仪器的冷却和运行。

用于系统的冷却液?大约一加仑(3.7升)的去离子水。虽然存在大量化学冷却剂，但航天器将暴露的温度范围在50华氏度(10摄氏度)和25华氏度(125摄氏度)之间变化。很少有液体可以处理像水这样的范围。为了防止水在较高的温度下沸腾，它将被加压，因此沸点超过257华氏度(125摄氏度)。

保护任何航天器的另一个问题是弄清楚如何与之通信。帕克太阳能探测器将在很大程度上独自行进。它需要8分钟才能到达地球 - 这意味着如果工程师必须从地球上控制宇宙飞船，那么当出现问题时，纠正它将为时已晚。

因此，该航天器的设计旨在使其自身安全并与太阳保持同步。几个传感器，大约是手机大小的一半，沿着来自隔热罩的阴影边缘连接到航天器的主体上。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，并且航天器可以纠正其位置，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，因此中央计算机软件已经过编程和广泛测试，以确保可以即时进行所有校正。

向太阳发射

发射后，派克太阳能探测器将检测太阳的位置，对准热保护罩以对抗它并继续其未来三个月的旅程，拥抱太阳的热量并保护自己免受空间的冷真空影响。

在计划任务持续七年的过程中，宇宙飞船将制造我们恒星的24个轨道。在每次接近太阳的过程中，它将对太阳风进行采样，研究太阳的日冕，并提供来自我们恒星周围的前所未有的近距离观测 - 并且拥有一系列创新技术，我们知道它将始终保持凉爽。