奔赴与太阳最亲密的约会——特制隔热罩和冷却系统让帕克探测器不被融化
帕克太阳探测器将于8月初发射升空，科学家采取了各种手段确保其不被融化。
图片来源：NASA官网
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如果一切按计划进行，8月4日，美国国家航空航天局(NASA)耗资15亿美元的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe，以下简称帕克)将发射升空。在未来7年间，帕克将绕太阳运行24圈，并逐渐缩短与后者的距离，最终在距离太阳表面约620万公里(处于日冕的范围之内)的位置飞行。届时，其与太阳的距离相当于1976年德国“太阳神2”号探测器所创纪录的1/7。
帕克与太阳如此亲密的接触，只为回答一些关于太阳悬而未决的重大问题，例如，为什么日冕的温度高达数百万摄氏度，但太阳表面温度却没有那么高？它还将造访太阳风的诞生地。太阳风是以高达800公里/秒的速度冲向太阳系的高能粒子流。当太阳风猛烈袭击地球时，会产生美丽的极光，但同时也会干扰卫星通信和导航系统。
这艘太空船将穿越温度高得令人难以想象的日冕，同时受到强烈的阳光照射。那么，帕克为什么不怕被融化呢？物理学家组织网在近日的报道中解释称，关键在于其特制的隔热罩以及一套冷却系统。
热量与高温并非一回事
理解帕克探测器及其携带仪器保持安全的一个关键是，理解热与温度的概念。
美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的热保护系统工程师贝奇·康登解释称，温度与粒子移动的速度有关；热则与粒子传输的总能量有关。粒子可能快速移动(高温)，但如果它们的数量很少，就不会传递太多能量(低热)。帕克将穿越的日冕内温度极高但密度非常低，航天器仅与较少的热颗粒相互作用，因此不会接收到太多热量。
这意味着，当帕克穿过几百万摄氏度高温时，面向太阳的隔热罩表面将仅被加热到大约1400摄氏度。
保护航天器的隔热罩
当然，数千摄氏度高温也非常热。为了耐受这种热，帕克使用名为“热保护系统”的隔热罩(TPS)，其直径约2.4米、厚度约115毫米，位于这层隔热罩背后的探测器机身，温度将保持在舒适的30摄氏度。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计这个隔热罩，由两块碳板之间夹着一块碳复合泡沫堆叠而成，经测试其可承受1650摄氏度高温，几乎可保障所有仪器的安全。
但并非帕克上的所有设备都置于隔热罩的“羽翼”之下。
比如，太阳探测杯会伸出隔热罩，是两种不受隔热罩保护的仪器之一。这种探测杯就是“法拉第杯”，一种测量太阳风的离子和电子通量以及流动角度的传感器。研究人员采用了独特技术，不仅确保仪器无损，其上的电子设备还可发回准确的读数。
探测杯本身由钛—锆—钼制成，熔点约为2349摄氏度；为其产生电场的芯片由钨(已知最高熔点为3422摄氏度)制成；芯片中的网格线用激光蚀刻而成。
另一个挑战与电子布线有关：大多数电缆会因如此靠近太阳的热辐射而融化。为解决这个问题，该团队使用蓝宝石水晶管来悬挂电线，并用铌制成电线。研究人员在实验室中真实模拟了太阳的强烈热辐射，对探测杯的表现进行测试，结果表明，其通过了测试。事实上，它暴露于测试环境的时间越长，给出的结果越清晰。
简单却功能强大的冷却系统
此外，还有一些“英雄”，默默保护着帕克免受太阳高温的“迫害”。
在每次接近太阳的过程中，帕克上的太阳能电池阵列都会缩回到隔热罩的阴影后，只留一小部分暴露在太阳的强烈光线下。为此，太阳能电池板上布置了冷却系统：一个加热罐和两个散热器可防止冷却剂冻结；铝散热片可最大限度地让表面冷却；泵可循环冷却剂。冷却系统尽管简单，但功能强大，足以保持太阳能阵列和仪器的冷却和运行。
冷却液是大约一加仑(3.7升)的去离子水，而且，为防止水在较高温度下沸腾，它将被加压，因此沸点超过125摄氏度。
保护航天器的另一个问题是弄清楚如何与之通信。帕克太阳探测器将在很大程度上孤独地踏上这段漫长的旅程。如果工程师必须从地球上控制航天器，那么得到的信息到达地球需要8分钟，这意味着当出现问题时，纠正它将为时已晚，因此，帕克的设计旨在让其追逐太阳并保持自身安全。几个大约手机一半大小的传感器沿着隔热罩的阴影边缘，被附着到帕克的舱体上。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，探测器可纠正其位置，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，为此，中央计算机软件已经过编程和广泛测试，以确保可以实时进行所有校正。
(科技日报北京7月23日电)
原标题：奔赴与太阳最亲密的约会|帕克|太阳探测器|太阳能电池阵列