12 жніўня ў 15:31 па пекінскім часе на авіябазе Кейп-Канаверал у Гістарычным парку Сонца (Parker Solar Probe) быў запушчаны цяжкі ракетны апарат Delta 4. Пасля 43-хвіліннага палёту, нягледзячы на тое, што ў гэты перыяд назіралася трэцяя ступень падазрэнні на страту захапляльнага моманту, на шчасце, гэта быў канчатковы блізкі да промаху момант: дэтэктар Parker паспяхова аддзяліўся ад ракеты, ступіў на доўгі шлях да Сонца і тым самым адкрыў новае падарожжа чалавецтва ў яго даследаванні!
Сонечны дэтэктар
Месца запуску
Каб усталяваць сусветны рэкорд па дасягненні бліжэйшай кропкі на сонцы, людзям трэба знайсці матэрыялы, якія могуць вытрымліваць беспрэцэдэнтныя ўзроўні звышвысокіх тэмператур. Можна сказаць, што калі няма сістэмы цеплавой абароны (TPS), няма і Parker. Згодна з планам, Parker спусціцца на адлегласць 4 мільёнаў міль ад паверхні сонца (6,11 мільёна км). Каб адаптавацца да гэтага надзвычай гарачага асяроддзя, дэтэктар будзе мець кампазітны цеплаахоўны экран, купал якога будзе вытрымліваць блікі сонца. Цеплаахоўны экран немагчыма было б зрабіць 10 гадоў таму.
Калі вы спадарожнік плошчай 1 квадратны метр на арбіце Зямлі, і сонечная энергія, каб дасягнуць вас, складае каля 1350 Вт, але Parker знаходзіцца прыкладна ў 25 разоў бліжэй, чым гэтае становішча, што складае каля 850 000 Вт цяпла на квадратны метр. Калі ўлічваць плошчу, сонечны зонд Parker павінен вытрымліваць каля 3 мільёнаў Вт энергіі. Цеплавы экран дэтэктара таксама вядомы як сістэма цеплавой абароны (TPS), якая складаецца з двух вугляродных кампазітных слаёў і вугляроднай пены з прамежкавым заціскам каля 4,5 цалі (11,43 см). Цеплавы экран, звернуты да Сонца, таксама мае спецыяльнае белае пакрыццё, каб максімальна адлюстраваць энергію сонца. Гэты матэрыял устойлівы да 2500 градусаў па Фарэнгейту (каля 1371 ℃) і гарантуе, што прыбор працуе пры тэмпературы каля 85 градусаў па Фарэнгейту (каля 30 ℃).
«Калі гэтая задача была вырашана ў 60-х-70-х гадах, то нават пры разгортванні ў 80-х гадах можна было б запускаць металы з высокай тэрмаўстойлівасцю», — сказаў Дрысман. «Навукоўцы пабудуюць металічны Джэрдан з вельмі высокай тэмпературай плаўлення, але ніколі не адправяць яго ў неба, таму што метал занадта цяжкі. У адрозненне ад большасці камерцыйных вугляродных валокнаў, іх вуглярод-вугляродная структура не палімерызуецца шляхам зацвярдзення смол, таму што зацвярдзелыя смалы выпараюцца паблізу сонца, як алей на гарачых дарожных пакрыццях», — сказаў ён. Каб зрабіць цеплаахоўны экран, NASA напаўняе смалу «сечаным вугляродным валакном», затым зацвярдзее смалу, выпякае яе ў печы пры тэмпературы 3000 градусаў і паўтарае працэс 4-5 разоў. У рэшце рэшт вы атрымаеце вугляроднае валакно, якім вас абгорнуць. Вуглярод-вугляродная структура, пра якую мы гаворым, — гэта чысты вуглярод, без смол і іншых рэчываў. Пярэдняя і задняя часткі цеплаахоўнага экрана зроблены з гэтай вуглярод-вугляроднай пласціны, якая, акрамя ізаляцыі, мае вельмі высокую механічную трываласць». 2 пласты вуглярод-вугляродных лістоў дастаткова тонкія, каб згінацца і нават перакрывацца. Пасярэдзіне двухслаёвага вуглярод-вугляроднага матэрыялу знаходзіцца пласт вугляроднай пены таўшчынёй каля 4,5 цаляў, які зараз шырока выкарыстоўваецца ў медыцынскай прамысловасці для стварэння альтэрнатыўных костак. Сэндвіч-канструкцыя падтрымлівае ўсю канструкцыю, падобную на гафрыраваны кардон, які важыць усяго 160 фунтаў (каля 73 кг) для ўсяго цеплаахоўнага экрана таўшчынёй 8 футаў.
Пена таксама з'яўляецца найважнейшай структурай цеплаізаляцыйнага экрана. Але 97% вугляродных бурбалак складаецца з паветра, што яшчэ больш змяншае вагу касмічных зондаў. Сам вуглярод валодае цеплаправоднасцю, і структура пены таксама азначае, што перадаецца не так шмат цяпла. Бурбалкі няпроста праверыць, яны надзвычай далікатныя. Але ёсць яшчэ адна праблема. «Калі яны награваюцца, яны гараць», — сказаў Абель. Гарэнне не з'яўляецца вялікай праблемай у вакууме, але астатняе паветра ў цесце прывядзе да таго, што бурбалкі перагораць на драўняны вугаль. Таму інжынеры Нацыянальнай лабараторыі Оўк-Рыдж выкарысталі дугавыя лямпы з высокатэмпературнай плазмай, каб праверыць цеплаізаляцыю гэтых вугляродных пенаў на высокую тэмпературу. Адной толькі цеплаізаляцыі гэтых вугляродных пенаў недастаткова, каб гарантаваць, што дэтэктары будуць працаваць пры неабходнай тэмпературы. Паколькі ў космасе няма рассейвання паветра, адзіны спосаб рассейвання цяпла — гэта рассейванне святла і выпраменьванне цяпла ў выглядзе фатонаў. Таму неабходны яшчэ адзін ахоўны пласт: белы ахоўны пласт выкарыстоўваецца для адлюстравання цяпла і святла.
Схематычная дыяграма структуры цеплавога экрана сонечнага дэтэктара Parker
З гэтай мэтай Лабараторыя прыкладной фізікі Універсітэта Джона Хопкінса і Лабараторыя перадавых тэхналогій Інжынернай школы Уайтынга (Лабараторыя перадавых тэхналогій у Інжынернай школе Уайтынга Універсітэта Джона Хопкінса) сфармавалі каманду экспертаў па цеплаізаляцыйных пакрыццях суперлюкс, якія даследавалі высокатэмпературную кераміку, хімічныя і плазменна-напыляльныя пакрыцці. У выніку далейшых выпрабаванняў каманда ў рэшце рэшт абрала белы ахоўны пласт на аснове аксіду алюмінію. Але ахоўны пласт мог стаць шэрым у асяроддзі высокай тэмпературы з-за рэакцыі з вугляродам, таму інжынеры дадалі ў сярэдзіну пласт вальфраму, танчэйшы за валасы, і нанеслі яго паміж цеплаахоўным экранам і белым экранам, каб прадухіліць узаемадзеянне паміж двума пластамі. Яны таксама дадалі наналегіруючы агент, каб зрабіць экраны больш белымі і прадухіліць цеплавое пашырэнне часціц аксіду алюмінію. Дэніс Нэйгл, галоўны інжынер-даследчык Цэнтра сістэмных навук і інжынерыі, сказаў, што звычайна пры выкарыстанні керамікі перавага аддаецца цвёрдаму, порыстаму пакрыццю, але матэрыял ламаецца пры ўдары малатком. Пры тэмпературы, якой падвяргаецца Parker, гладкае пакрыццё разбіваецца, як акно, ад якога ўдарылі каменем. Такім чынам, нават порыстыя пакрыцці могуць вытрымліваць гэта экстрэмальнае асяроддзе. Калі ў порыстых пакрыццях узнікаюць расколіны, яны спыняюцца, калі дасягаюць пор. Пакрыццё складаецца з некалькіх буйных грануляваных слаёў — дастаткова, каб група керамічных часціц магла адлюстроўваць святло, якое адсутнічае ад іншага пласта.
Час публікацыі: 15 жніўня 2018 г.