穿梭百萬度高溫日冕 「帕克」3層防護罩禦熱

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NASA帕克太陽探測器的使命之旅,需要面臨極大的考驗。從紙面上來看,接近太陽的過程,似乎是一個無法實現的挑戰。好消息是,科學家們發現,只需4.5英寸厚的防護盾,即可讓帕克探測器承受太陽表面的百萬華氏度(℉)高溫。

按計畫為實現最佳觀測,NASA希望帕克可實現24次軌道機動,主要在太陽日冕中運行,這裡是太陽大氣層中非常熱的一個區域,物質溫度超過百萬華氏度。

高溫材料可承受環繞太陽的百萬華氏度高溫,但由於它們移動速度極快、且數量相對稀少,其實際接收和傳遞的熱量其實很少。探測器如何抵禦太陽高溫?

要解答這個問題,首先需要分清「熱量」和「溫度」兩個不同的概念。約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的熱保護系統工程師康登解釋,雖然日冕層內溫度超過100萬攝氏度,但是其中的高溫等離子體的密度比較稀疏,探測器在裡面穿梭時,僅與較少的熱顆粒相互作用,接受到的熱量是可控的。他舉例稱,這有點像把手伸進烤箱,雖然烤箱內部溫度高達一百多攝氏度,但是手的溫度不可能變成100度。

據NASA估算,探測器進入日冕層後,外表將會被加熱到1400攝氏度左右,這仍是普通太空材料無法直接應對的高溫,火山噴發的熔岩一般也就只有700-1200攝氏度。為此,工程師為派克探測器配備尖端的熱保護系統,即一個厚度約為11.5釐米的防熱罩,其材料呈現三明治結構,外表是碳-碳複合物,裡面夾著10釐米厚的碳泡沫。這種輕質材料外層還將塗上白色陶瓷塗料,盡可能多地反射熱量。經測試,該防熱罩可承受約1650攝氏度的溫度,探測器在其保護之下可保持約30攝氏度的涼爽。

不過,也有不得不在防熱罩之外運作的設備,比如用於測量太陽風離子和電子通量的感測器–法拉第杯,研發團隊用鈦鋯鉬合金進行打造,熔點高達2349攝氏度。此外,太陽能電池陣列也會有一部分暴露在太陽強光下,為此,太陽能電池板上布置冷卻系統,包括防止冷卻劑凍結的加熱罐和散熱器、用於表面散熱的鋁散熱片,還有保持冷卻劑迴圈的泵。另外,防熱罩的陰影邊緣配備七個感測器,自動校準探測器的路線和朝向,確保探測設備全程受到防熱罩的庇護。

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