베이징 시간 8월 12일 오후 3시 31분, 케이프커내버럴 공군기지 SLC-37B 발사장에서 역사적인 파크 태양 탐사선(파커 태양 탐사선)이 델타 4 중로켓에 의해 발사되었습니다. 43분간의 비행 끝에, 스릴 넘치는 순간을 놓칠 뻔했지만, 다행히도 파커 태양 탐사선은 로켓에서 성공적으로 분리되어 태양으로 향하는 긴 여정에 첫발을 내디뎠습니다. 이로써 인류의 태양 탐사에 새로운 여정이 시작되었습니다!
태양 감지기
발사 장소
태양에서 가장 가까운 지점에 도달하는 세계 기록을 세우려면 전례 없는 수준의 초고온을 견딜 수 있는 소재를 찾아야 합니다. 열 보호 시스템(TPS)이 없다면 파커도 존재할 수 없습니다. 계획에 따르면 파커는 태양 표면에서 611만km(400만 마일) 떨어진 지점에 진입합니다. 이처럼 극도로 뜨거운 환경에 적응하기 위해 감지기에는 복합 소재의 방열판이 장착되고, 돔은 태양의 눈부심을 견뎌낼 수 있습니다. 이 방열판은 10년 전에는 만들어질 수 없었을 것입니다.
지구 궤도에 있는 1제곱미터 위성이고 태양 에너지가 도달하기 위해 약 1350와트이지만 파커는 이 위치보다 약 25배 더 가까워서 제곱미터당 약 850,000와트의 열이 발생합니다. 면적을 계산하면 파커의 태양 탐사선은 약 300만 와트의 에너지를 견뎌야 합니다. 검출기의 방열판은 열 보호 시스템(TPS)으로도 알려져 있으며, 두 개의 탄소 강화 복합 층과 약 4.5인치(11.43cm)의 중간 클램프가 있는 탄소 폼으로 구성됩니다. 태양을 향한 방열판에는 태양 에너지를 최대한 반사하는 특수 흰색 코팅도 있습니다. 이 소재는 화씨 2,500도(약 1371℃)까지 견딜 수 있으며 장비가 화씨 약 85도(약 30℃)에서 작동하도록 합니다.
"이 작업이 60년대에서 70년대에 이루어졌다면, 심지어 80년대에 배치되었다 하더라도 내열성이 높은 금속을 비행시키는 것이 가능합니다."라고 드라이스먼은 말했습니다. "과학자들은 녹는점이 매우 높은 금속 제르돈(Jerdon)을 만들겠지만, 금속이 너무 무거워서 결코 천국에 보내지 못할 것입니다." "대부분의 상업용 탄소 섬유와 달리, 이 탄소-탄소 구조는 경화 수지로 중합되지 않습니다. 경화된 수지는 뜨거운 도로 표면의 기름처럼 태양 근처에서 증발하기 때문입니다."라고 그는 말했습니다. NASA는 열 차폐막을 만들기 위해 수지에 "잘게 썬 탄소 섬유"를 채운 다음, 수지를 경화시키고 3,000도의 오븐에서 굽고 이 과정을 4~5회 반복합니다. "결국 여러분을 감싸는 탄소 섬유를 얻게 될 것입니다. 우리가 말하는 탄소-탄소 구조는 수지나 다른 물질이 없는 순수한 탄소입니다. "열 차폐막의 앞면과 뒷면은 탄소-탄소 판으로 제작되어 단열 기능 외에도 매우 강력한 기계적 강도를 가지고 있습니다." 두 겹의 탄소-탄소 시트는 얇아서 구부리거나 겹쳐질 수도 있습니다. 두 겹의 탄소-탄소 소재 가운데에는 약 11.6cm 두께의 탄소 폼 층이 있는데, 이는 현재 의료 산업에서 대체 뼈 제작에 일반적으로 사용됩니다. 샌드위치 구조는 골판지처럼 전체 구조를 지탱하는데, 전체 두께 2.4m(8피트)의 열 차폐막 무게는 약 73kg(160파운드)에 불과합니다.
폼은 열 차폐 단열 기능의 가장 중요한 구조이기도 합니다. 하지만 탄소 폼의 97%는 공기로 구성되어 우주 탐사선의 무게를 더욱 줄이기 위해 사용됩니다. 탄소 자체는 열전도성이 있으며, 폼 구조는 전달되는 열이 많지 않다는 것을 의미합니다. 기포는 매우 부서지기 쉬워 테스트하기가 쉽지 않습니다. 하지만 또 다른 문제가 있습니다. "기포가 뜨거워지면 타버립니다."라고 에이블은 말했습니다. 진공 상태에서는 연소가 큰 문제가 아니지만, 테스트에 남아 있는 공기 때문에 기포가 타서 숯처럼 변합니다. 따라서 국립 오크리지 연구소(National Oak Ridge Laboratory) 엔지니어들은 고온 플라즈마 아크 램프를 사용하여 이러한 탄소 폼의 열 차폐 및 고온 내구성을 테스트했습니다. 이러한 탄소 폼의 단열만으로는 감지기가 필요한 온도에서 작동할 수 있다고 보장하기에 충분하지 않습니다. 우주에서는 공기가 방출되지 않기 때문에 열을 방출하는 유일한 방법은 빛을 산란시켜 광자의 형태로 열을 방출하는 것입니다. 따라서 또 다른 보호층이 필요합니다. 열과 빛을 반사하는 흰색 보호층이 사용됩니다.
파커 태양열 감지기 열 차폐 구조 개략도
이를 위해 존스홉킨스 대학교 응용물리학 연구실과 화이팅 공과대학 첨단기술연구실(존스홉킨스 대학교 화이팅 공과대학 첨단기술연구실)은 초호화 단열 코팅 전문가팀을 구성하여 고온 세라믹, 화학 및 플라즈마 용사 코팅을 연구 대상으로 삼았습니다. 추가 테스트를 거쳐 연구팀은 결국 알루미나 기반 백색 보호층을 선택했습니다. 하지만 고온 환경에서는 탄소 반응으로 인해 보호층이 회색으로 변색될 수 있기 때문에 엔지니어들은 머리카락보다 얇은 텅스텐 층을 중간에 추가하고 열 차폐막과 백색 차폐막 사이에 코팅하여 두 층 간의 상호 작용을 방지했습니다. 또한 나노 도핑제를 첨가하여 차폐막을 더욱 백색화하고 알루미나 입자의 열 팽창을 방지했습니다. 시스템 과학 및 엔지니어링 센터의 수석 연구원인 데니스 네이글은 세라믹을 사용할 때는 일반적으로 단단하고 다공성 코팅이 선호되지만 망치로 치면 재료가 파손된다고 말했습니다. 파커가 받는 온도에서는 매끄러운 코팅이 돌에 부딪힌 창문처럼 깨집니다. 따라서 다공성 코팅도 이러한 극한 환경을 견딜 수 있습니다. 다공성 코팅에 균열이 발생하면 기공에 도달하면서 균열이 멈춥니다. 코팅은 여러 개의 거친 입자층으로 구성되어 있어 세라믹 입자 그룹이 다른 층에서 손실된 빛을 반사할 수 있습니다.
게시 시간: 2018년 8월 15일