12 августа в 15:31 по пекинскому времени состоялся запуск детектора Солнца Parker Solar Probe (SLC-37B) на базе ВВС США на мысе Канаверал, запущенного тяжёлыми ракетами Delta 4. После 43-минутного полёта, несмотря на то, что в этот период наблюдалась третья степень предполагаемой потери, этот захватывающий момент, к счастью, был почти полностью совершён, детектор Parker успешно отделился от ракеты, отправившись в долгий путь к Солнцу, открыв тем самым новый путь в исследовании Солнца человеком!
Солнечный детектор
Стартовая площадка
Чтобы установить мировой рекорд и приблизиться к ближайшей точке на Солнце, необходимо найти материалы, способные выдерживать беспрецедентные сверхвысокие температуры. Можно сказать, что без системы тепловой защиты (TPS) нет и Parker. Согласно плану, Parker должен войти в атмосферу на высоте 6,11 млн км (4 млн миль) от поверхности Солнца. Чтобы адаптироваться к этой экстремально жаркой среде, детектор будет оснащён композитным теплозащитным экраном, а купол выдержит яркое солнечное излучение. Ещё 10 лет назад теплозащитный экран невозможно было изготовить.
Если вы спутник площадью 1 квадратный метр на околоземной орбите, и энергия солнца составляет около 1350 Вт, чтобы достичь вас, но Parker находится примерно в 25 раз ближе, чем эта позиция, что составляет около 850 000 ватт тепла на квадратный метр. Если посчитать площадь, солнечный зонд Parker должен выдерживать около 3 миллионов ватт энергии. Тепловой экран детектора также известен как система тепловой защиты (TPS), состоящий из двух слоев композита с углеродным усилением и углеродной пены с промежуточным зажимом размером около 4,5 дюймов (11,43 см). Тепловой экран, обращенный к Солнцу, также имеет специальное белое покрытие, чтобы максимально отражать энергию солнца. Этот материал устойчив к 2500 градусам по Фаренгейту (около 1371 ℃) и гарантирует работу прибора при температуре около 85 градусов по Фаренгейту (около 30 ℃).
«Если эта задача была актуальна в 60-х–70-х годах, то даже при её реализации в 80-х годах можно было бы использовать высокотемпературные металлы», — сказал Дрисман. «Учёные создадут металлический «Джердон» с очень высокой температурой плавления, но никогда не отправят его на небеса, потому что металл слишком тяжёлый. В отличие от большинства коммерческих углеродных волокон, их углерод-углеродная структура не полимеризуется затвердеванием смол, поскольку затвердевшие смолы испаряются вблизи солнца, как масло на раскалённом дорожном покрытии», — сказал он. Чтобы сделать тепловой экран, НАСА заполняет смолу «измельчённым углеродным волокном», затем смолу затвердевает, запекается в печи при температуре 3000 градусов и повторяет этот процесс 4–5 раз. В конечном итоге вы получите углеродное волокно, которым вас обматывают. Углерод-углеродная структура, о которой мы говорим, — это чистый углерод, без смол и других веществ. Передняя и задняя стороны теплозащитного экрана изготовлены из углерод-углеродной пластины, которая, помимо изоляции, обладает очень высокой механической прочностью. Два слоя углерод-углеродных листов достаточно тонкие, чтобы их можно было согнуть и даже уложить друг на друга. В середине двухслойного углерод-углеродного материала находится слой углеродной пены толщиной около 4,5 дюймов, который в настоящее время широко используется в медицинской промышленности для создания альтернативных костей. Сэндвич-конструкция поддерживает всю конструкцию, напоминающую гофрированный картон, которая весит всего 160 фунтов (около 73 кг) для всего 8-футового теплозащитного экрана.
Пена также является важнейшей структурой, выполняющей функцию теплоизоляции. Однако 97% углеродного пузыря состоит из воздуха, что позволяет ещё больше снизить вес космических аппаратов. Сам углерод теплопроводен, а структура пены также обеспечивает низкую теплопередачу. Пузырьки сложно проверить, они чрезвычайно хрупкие. Но есть и другая проблема: «Когда они нагреваются, они горят». «В вакууме горение не представляет большой проблемы, но оставшийся воздух в процессе испытания приведёт к тому, что пузырьки превратятся в уголь. Поэтому инженеры Национальной лаборатории Ок-Ридж с помощью высокотемпературных плазменных дуговых ламп протестировали теплозащиту этих углеродных пеноматериалов, устойчивых к высоким температурам. Одной лишь теплоизоляции этих углеродных пеноматериалов недостаточно, чтобы гарантировать работу детекторов при требуемой температуре. Поскольку в космосе нет рассеяния воздуха, единственный способ рассеивать тепло — это рассеивать свет и излучать тепло в виде фотонов. Поэтому необходим ещё один защитный слой: белый защитный слой, отражающий тепло и свет.
Принципиальная схема конструкции теплового экрана солнечного детектора Parker
С этой целью Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и Лаборатория передовых технологий Инженерной школы Уайтинга (Advanced Technology Laboratory in the Johns Hopkins's Whiting School Engineering) сформировали команду экспертов по созданию теплоизоляционных покрытий класса «люкс», включающую исследования высокотемпературной керамики, химического и плазменного напыления покрытий. В результате дальнейших испытаний команда в конечном итоге выбрала белый защитный слой на основе оксида алюминия. Однако в условиях высокой температуры защитный слой теряет свою плотность при реакции с углеродом, поэтому инженеры добавили в середину слой вольфрама, тоньше волоса, и поместили его между теплозащитным и белым защитным слоями, чтобы предотвратить взаимодействие между двумя слоями. Они также добавили нанолегирующий агент, чтобы сделать экраны белее и предотвратить тепловое расширение частиц оксида алюминия. Деннис Нэгл, главный инженер-исследователь Центра системной науки и инженерии, отметил, что обычно при использовании керамики предпочтение отдается жесткому пористому покрытию, но этот материал разрушается при ударе молотком. При температуре, с которой сталкивается Parker, гладкое покрытие разрушается, как окно, разбитое камнем. Поэтому даже пористые покрытия способны выдерживать такие экстремальные условия. Трещины в пористых покрытиях останавливаются, достигнув пор. Покрытие состоит из нескольких крупнозернистых слоёв, достаточно крупных, чтобы группа керамических частиц могла отражать недостающий свет из другого слоя.
Время публикации: 15 августа 2018 г.