Путешествие к Солнцу: почему солнечный зонд «Паркер» не расплавится?

22 Июля 2018 в 10:30, Илья Хель 10 669 просмотров 30

Этим летом NASA отправит солнечный зонд «Паркер» (Parker Solar Probe) к Солнцу и тот проникнет глубоко в атмосферу светила, глубже чем любая миссия до него. Если бы Земля была на одном конце метровой палки, а Солнце на другом, солнечный зонд подойдет на десять сантиметров к поверхности звезды. Оказавшись в этой части солнечной атмосфере, известной как корона, Parker Solar Probe предоставит беспрецедентные наблюдения того, что управляет всеми этими частицами, энергией и теплом, курсирующими в короне, и запускает это через всю Солнечную систему, далеко за пределы Нептуна.

В короне, конечно, невообразимо жарко. Космический аппарат будет путешествовать через материал с температурой более миллиона градусов по Фаренгейту под непрерывной бомбардировкой интенсивного солнечного света.

Почему же Parker Solar Probe не расплавится?

Чтобы понять, что поддерживает космический аппарат и его инструменты в безопасности, нужно понять концепцию отношений тепла и температуры. Дело в том, что высокие температуры не всегда переходят в фактическое нагревание другого объекта.

В космосе температура может быть тысячи градусов, но конкретный объект не будет нагреваться, жары не почувствуется. Почему? Температура определяется скоростью движения частиц, тогда как тепло измеряется общим количеством энергии, которую они переносят. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их будет немного, то и энергии будет немного (мало тепла). Поскольку космос по большей части пустой, очень немногие частицы могут передать энергию аппарату.

Корона, через которую летит зонд «Паркер», например, обладает чрезвычайно высокой температурой, но очень низкой плотностью. Подумайте о разнице между тем, как засунуть руку в горячую духовку и засунуть ее в кастрюлю с кипящей водой (только не делайте этого) — в печи ваша рука может выдержать гораздо более высокую температуру на протяжении длительного времени, чем в воде, где ей придется взаимодействовать с огромным количеством частиц. Аналогичным образом, если сравнивать с видимой поверхностью Солнца, корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействут с меньшим количество горячих частиц и сильно не нагревается.


Это значит, что хотя «Паркер» будет двигаться через космос при температурах в несколько миллионов градусов, поверхность теплового щита, которая направлена на Солнце, будет нагреваться всего до 2500 градусов по Фаренгейту (это 1400 градусов по Цельсию).

Защитный щит

Конечно, несколько тысяч градусов — это все еще фантастически горячо. (Для сравнения, лава от вулканического извержения может быть температурой от 700 до 1200 градусов). И чтобы выдержать это тепло, зонду «Паркер» нужен тепловой щит под названием Thermal Protection System (TPS), 2,4 метра в диаметре и 115 миллиметров толщиной. Эти несколько дюймов защиты означают, что только одна сторона щита, где находится корпус аппарата, будет в комфортной температуре 30 градусов.

TPS был разработан Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса и построен Carbon-Carbon Advanced Technologies, которые взяли углеродную композитную пену и зажали между двумя углеродными пластинами. Эта легковесная изоляция будет сопровождаться напылением белой керамическо краски на солнечной стороне, чтобы отражать тепло по максимуму. Испытания показали, что щит способен выдержать температуру в 1650 градусов и оградить приборы от любого тепла, посылаемого Солнцем.

Измерение ветра при помощи чаши

Не все инструменты «Паркера» будут за щитом TPS.

Чуть выше теплового щита находится Solar Probe Cup — один из двух инструментов «Паркера», не защищенных тепловым щитом. Этот инструмент известен как чаша (или коллектор) Фарадея, датчик для измерения вспышек ионов и электронов и углов потоков солнечного ветра. Из-за интенсивности солнечной атмосферы необходимы уникальные технологии, которые гарантируют, что инструмент не только переживет полет, но и сможет отправить точные данные обратно.

Сама чаша изготовлена из титан-цирконий-молибденовых пластин, молибденового сплава с точкой плавления 2349 градусов Цельсия. Чипы, производящие электрическое поле для «Паркера», сделаны из вольфрама, металла с наивысшей точкой плавления (3422 градуса). Обычно для травления линий сетки в этих чипах используются лазеры, однако из-за высокой температуры плавления использовалась кислота.

Другая проблема пришла в форме электронных кабелей — большинство кабелей расплавились бы при воздействии теплового излучения на такой близости к Солнцу. Для решения этой проблемы инженеры вырастили трубочки из сапфировых кристаллов, чтобы замкнуть провода, и сделали сами провода из ниобия.

Чтобы убедиться, что инструмент готов к суровой среде, ученым нужно было имитировать интенсивное тепловое излучение солнца в лаборатории. Чтобы создать достойный уровень тепла, ученые использовали ускоритель частиц и прожекторы IMAX. Прожекторы имитировали тепло солнца, а ускоритель частиц облучал чашу. Чтобы точно убедиться, что чаша «Паркера» сможет выдержать суровые условия, использовалась Одейлийская солнечная печь, крупнейшая в мире, которая концентрирует тепло солнца при помощи 10 000 настраиваемых зеркал.

Солнечный зонд «Паркер» прошел испытания на ура — в действительности, он работал тем лучше и тем более четкие результаты выдавал, чем больше подвергался воздействию испытательной среды. «Мы думаем, что излучение устранило любые возможные загрязнения», говорит Жюстин Каспер, исследователь инструментов SWEAP. «Он по сути самоочистился».

Возле солнца в прохладе

Несколько других конструкций на космическом аппарата поддерживают Parker Solar Probe защищенным от тепла. Без защиты солнечные панели — которые используют энергию самой звезды для питания аппарата — могут перегреться. По мере приближения к солнцу, солнечный массив прячется в тень теплового щита, оставляя лишь небольшой сегмент открытым интенсивным лучам солнца.

Но чем ближе к солнцу, тем больше нужно защиты. Массив батарей оснащен удивительно простой системой охлаждения: тепловой бак, который не дает хладагенту замерзнуть во время запуска, два радиатора, которые не дают хладагенту замерзнуть, алюминиевые лопасти для максимизации поверхности охлаждения, насосы для циркуляции хладагента. Система охлаждения достаточно мощная, чтобы охладить небольшую комнату, и будет поддерживать массив солнечных батарей и инструменты холодными и функционирующими даже в тепле Солнца.

Что же это за хладагент? Порядка 3,7 литров деионизированной воды. Хотя существует множество химических хладагентов, диапазон температур, которым будет подвергаться космический аппарат, колеблется между 10 градусами и 125 градусами. Очень немногие жидкости могут обрабатывать такие диапазоны, как вода. Чтобы вода не вскипала на высоком конце температур, она будет находиться под давлением, поэтому температура кипения будет выше 125 градусов.

Другая проблема с защитой любого космического аппарата — выяснить, как с ним общаться. «Паркер» будет по большей части предоставлен сам себе. Для сообщения с Землей свету нужно восемь минут — поэтому инженеры не смогут контролировать аппарат с Земли, если что-то пойдет не так.

Таким образом, космический аппарат должен автономно поддерживать себя в безопасности на пути к солнцу. Несколько датчиков, размером с половину мобильного телефона, будут крепиться к телу космического аппарата по краю тени от теплового экрана. Если какой-либо из этих датчиков обнаружит солнечный свет, он предупредит центральный компьютер и космический аппарат исправит свое положение, чтобы защитить датчики и остальные инструменты. Все это должно произойти без вмешательства человека, поэтому программное обеспечение будет тщательно проверяться, чтобы вносить все корректировки на лету.

Запуск к Солнцу

После запуска «Паркер» определит положение Солнца, выровняет защитный экран и продолжит свое путешествие в течение следующих трех месяцев, приветствуя тепло Солнца и защищаясь от холодного вакуума космоса.

В течение семи лет запланированной продолжительности полета космический аппарат обогнет звезду по орбите 24 раза. При каждом круге он будет приближаться к Солнцу и собирать образцы солнечного ветра, изучать корону и служить глазами для наших ученых.

Путешествие к Солнцу: почему солнечный зонд «Паркер» не расплавится?
Метки: , .

30 комментариев

  1. stan991

    Вот это реально круто (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • ELVIS

      stan991, Аэрогели применяют уже давно, есть куда более интерсные характеристики в новых образцах.. Если мне память не изменяет, обшивка Бурана могла нагреваться до 1250 C

  2. KOT_da_Vinchi

    Солнечная корона имеет температуру:

    Наружная часть короны 13 000 000 - 50 000 000 °C
    Средняя часть короны 4 000 000 - 10 000 000 °C
    Внутренняя часть короны 1,5 000 000 - 2,5 000 000 °C

    У человечества ещё нет материала, чтобы выдержать температуру и излучения до входа в звёздную корону. Интересно NASA будет увидеть, как кометы сгорают не касаясь даже солнечной короны, и понять, что случится с «Паркером».

    • tit

      KOT_da_Vinchi, (с) говорят .....

      Космический корабль пролетит через атмосферу Солнца примерно на 3,8 миллиона миль до поверхности нашей звезды, в пределах орбиты Меркурия и более чем в семь раз ближе, чем когда-либо раньше

    • kirfoton

      KOT_da_Vinchi, Так материал и не выдерживает. Он понемногу испаряется. А быстро не получится, так как плотность плазмы мала. Другая аналогия. Мишень в ускорителе выдерживает попадание частиц на скоростях близких к скорости света, что соответствует наверное, миллиардам градусов и что ? Да, мишень деградирует, но не сразу. Так и тепловой щит.

      • KOT_da_Vinchi

        kirfoton, TIT и KIRFOTON Специально для вас... Ни один метеорит и ни одна комета не достигает даже середины солнечной атмосферы, хоть и проявляется интенсивное защитное газообразование, их вторжение заканчивается в верхнем слое солнечной короны. Изучите об данные визуальных солнечных исследований и данных за 100 лет. Теперь физико-математическая задачка сопоставьте размеры метеоритов и комет, которые намного больше и выносливее «Паркера», определите сколько этот зонд проживёт при входе в солнечную атмосферу.

        • tonik

          KOT_da_Vinchi, Вот же тупые учёные. Наверное, британские. Срочно напишите им письмо и разъясните что к чему! А то угрохают сейчас кучу бабла в этот зонд, а он - пшик и сгорит. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • Ilya_Nsk

          KOT_da_Vinchi, Теплопроводность щита крайне низка, на несколько порядков ниже льда/железа/камня - и чего там еще состоят кометы/метеориты.. Выделяющиеся при деградации тел газы - защитка так себе.. Да и физику их ученые знают наверняка не хуже Вас. Так что пожелаем им удачи и не будем щелкать зубами по поводу того, что мы этим не занимаемся не потому, что зонд расплавится, а потому, что воруем ...

    • macss

      KOT_da_Vinchi, KOT_da_Vinchi, вы полностью правы! Что за глупость запускать на орбиту?
      Уж ежели запускать то только в вертикальном направлении к северному
      полюсу Солнца. Там и температура меньше, и Электромагнитное поле
      послабее. И сведений успеет собрать больше... пока не сгорит!

  3. Plazmatron

    Класс! Реально высокие технологии! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  4. kirfoton

    С одной стороны хорошая теплоизоляция, а с другой стороны космический холод в несколько кельвинов температуры. Эти две вещи и помогают поддерживать низкую температуру. У меня были образцы минеральной ваты, которой утепляют дома. Плотность как у пенопласта , состоит из волокон базальта вроде . Так её можно нагревать пламенем газовой горелки а с другой стороны держать голой рукой - немного тёплая . Получается это трудно назвать высокой технологией , если этот материал (похожий по свойствам) применяют в строительстве. Правда в России что - то не очень применяют :-) Наверное в связи с дешевизной газа , которым отапливают дома.

    • GlobalElite

      kirfoton, Во-первых одно дело - газовая горелка, а другое- солнце, а во-вторых нет никакого космического холода, т.к. в космосе почти нет частиц, которые бы забирали тепло у аппарата.

      • Akibastarec

        GlobalElite, Только излучением. При толковом проектировании этих систем радиаторы на теневой стороне аппарата смогут расссеять в пространстве немало тепла. Именно так захолаживались советские станции "Венера" до минимально допустимой для аппаратуры температуры перед входом в атмосферу планеты.

    • KOT_da_Vinchi

      kirfoton, Лично, используя устройство с горением водородно-кислородной смеси исходящей из сопла диаметром с медицинскую иголку, резал автомобиль с лонжеронами и обшивкой, общая толщина прожига достигала 150 мм, температура пламени достигала 4 500 °C, с добавлением паров топлива температуру пламени можно было довести до 6 500 °C, а глубину резки можно увеличить в два раза, тогда и любые огнеупорные материалы прожигались через 30 секунд или минуту. Представьте теперь плазму солнечной короны с температурой в тысячу раз большей, тогда любой металл и современные огнеупорные материалы на глубину одного метра просто испарится за доли секунды.

      • Akibastarec

        KOT_da_Vinchi, Уж сколько вам объясняли, и в статье, и в комментах, что в такой разреженной среде, где тепловые процессы происходят только через излучение, цифры температур весьма условны. Что ж, попробую еще раз. Попытайтесь пересчитать в температуру скорость электронов в кинескопе цветного телевизора. Получится такой тепловой луч, который должен испарить маску и переднее стекло кинескопа и сжечь телезрителя. И действительно, при точной фокусировке он используется для обработки весьма твердых и тугоплавких материалов. Однако в телевизоре такой же луч весьма разреженный, создается источником в несколько ватт, так что никто из телезрителей прошлого века таким способом не изжарился.

      • VetalGreed

        KOT_da_Vinchi, Хм, интересно как это вы добились температуры в 6000 градусов на водороде, где вроде как в среде кислорода, можно добиться температуры около 3000 градусов. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  5. kirfoton

    И ещё одна мысль. Чтобы попасть на солнце, надо погасить орбитальную скорость земли - около 30 км в сек. Это ж какая мощная ракета нужна ! Ну , учитывая что зонд не упадёт прямо на солнце, а выйдет на близкую орбиту, нужно погасить 25 км в сек из 30 . Всё равно надо мощная ракета. Намного мощнее тех, которые выводят спутники на околоземную орбиту - достаточно скорости в 8,5 км в сек.

    • KOT_da_Vinchi

      kirfoton, У вас с физикой не лады? Чтобы достигнуть солнечной атмосферы необходимо увеличивать скорость с 30 км/сек в разы. Если мне не изменяет память, чтобы войти в солнечную атмосферу с орбиты Земли необходимо развить скорость 52 км/сек в направлении Солнца. Читайте мат. часть в этом вопросе Циолковского и Мещерского.

      • Akibastarec

        KOT_da_Vinchi, Так это и есть физика космических полетов "хочешь быстрее - тормози". Как говорится: "Астродинамика - это тебе не речное судовождение". Заторможенный в своем орбитальном движении аппарат повалится вниз на эллипс с малым перигелием и в ходе этого снижения разовьет очень большую скорость, которая на второй половине эллипса позволит ему, несмотря на близость к Солнцу, выскочить на ту же высоту в апогелии.

        • KOT_da_Vinchi

          Akibastarec, Высшая математика для начинающих физиков и техников, даёт ответ, чтобы достичь Солнца надо развить 32 км/сек, сказано почему торможение не даст желаемого эффекта. Память бывает подводит, но истина восторжествует всегда.

    • amd212

      kirfoton, Скорее всего, чтобы выйти на орбиту Меркурия там сбросят скорость до 20 км/сек.
      И это н так проблематично, поскольку нет гравитации которую надо преодолевать. Когда вы отрываетесь от земли вы постоянно противодействуете силе Mg земного притяжения, действующей на всю ракету включая тонны топлива. Т.е. вы за счёт сжигания и выбрасывания газов одновременно увеличиваете и кинетическую и потенциальную энергии. С торможением это не так. Посмотрите сколько совсем немного требуется топлива чтобы затормозиться и упасть обратно на Землю. Процессы взлёта и падения абсолютно не равны друг - другу.

  6. uran

    интересно, как решен вопрос передачи инфы на Землю, если там такое фоновое, что все мыслимые частоты поглотятся (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Aladdin

      uran, Если посмотреть спектр солнечного излучения,то даже в нём есть "окна",там где нет спектральных линий,вот ими как раз и будут пользоваться для передачи информации.

      • kirfoton

        Aladdin, Тарелка параболическая вроде есть. А радиотелескопы, которыми будут принимать сигнал направлены точно на аппарат, а солнце будет сбоку и его шум не попадёт в радиотелескоп. Думаю , в мощности передатчика аппарат не будет ограничен, ведь на солнечные батареи аппарата будет попадать не меньше 500 киловатт на кв. метр энергии. И видимо поэтому они и расположены под углом к солнцу, чтобы всю эту мощу не использовать.

  7. immer

    На луну космонавтов США тоже NASA отправляла?! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  8. morxod

    Почему все молчат о тяготение, чем ближе тем быстрее полетит вплоть до скорость света. Если в лаборатории Стивина Хопкина делают то он должен от Солнце удаляется.

  9. vahtang1961

    Посмотрим. сколько в реальности он выдержит. Может быстро выйдет из строя (прецедентов много), а может, как Вояджет, будет много лет давать информацию. Не только солнечная корона и холод влияют, но и само пространство. по которому движется аппарат. Практика всё расставит по своим местам. Главное, в таких миссиях набирается опыт создания новых материалов с необычными свойствами.

  10. prinzip

    Ночью нужно лететь на солнце, ночью!

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.