12 серпня о 15:31 за пекінським часом на базі ВПС Кейп-Канаверал здійснено запуск детектора Сонця (Parker Solar Probe) SLC-37b важкими ракетами Delta 4. Після 43-хвилинного польоту, хоча цей період пережив третій рівень підозри на втрату захопливого моменту, на щастя, це був останній майже промах, детектор Parker успішно відокремився від ракети, ступив на довгий шлях до сонця, тим самим відкривши нову подорож дослідження Сонця людиною!
Детектор сонця
Місце запуску
Щоб встановити світовий рекорд досягнення найближчої точки на Сонці, людям потрібно знайти матеріали, здатні витримувати безпрецедентні рівні надвисоких температур. Можна сказати, що якщо немає системи теплового захисту (TPS), то немає й Parker. Згідно з планом, Parker зайде на відстань 4 мільйони миль від поверхні Сонця (6,11 мільйона км). Щоб адаптуватися до цього надзвичайно спекотного середовища, детектор матиме композитний тепловий екран, купол якого витримуватиме сонячне сліпуче світло. Тепловий екран неможливо було б створити 10 років тому.
Якщо ви супутник площею 1 квадратний метр на навколоземній орбіті, і сонячна енергія, щоб досягти вас, становить близько 1350 Вт, але Parker знаходиться приблизно у 25 разів ближче, ніж ця позиція, що становить близько 850 000 Вт тепла на квадратний метр. Якщо врахувати площу, сонячний зонд Parker повинен витримувати близько 3 мільйонів Вт енергії. Тепловий екран детектора також відомий як система теплового захисту (TPS), що складається з двох вуглецево-посилених композитних шарів та вуглецевої піни з проміжним затискачем приблизно 4,5 дюйма (11,43 см). Тепловий екран, звернений до Сонця, також має спеціальне біле покриття, щоб максимально відбивати енергію сонця. Цей матеріал стійкий до 2500 градусів за Фаренгейтом (близько 1371 ℃) і забезпечує роботу приладу при температурі близько 85 градусів за Фаренгейтом (близько 30 ℃).
«Якщо це завдання було виконано в 60-70-х роках, то навіть за умови розгортання у 80-х роках, можливо літати на високотемпературних металах», – сказав Дрісман. «Вчені побудують металевий Джердон з дуже високою температурою плавлення, але ніколи не відправлять його на небеса, бо метал занадто важкий. На відміну від більшості комерційних вуглецевих волокон, їхня вуглець-вуглецева структура не полімеризується шляхом затвердіння смол, оскільки затверділі смоли випаровуються поблизу сонця, як олія на гарячих дорожніх покриттях», – сказав він. Щоб зробити тепловий екран, NASA наповнює смолу «подрібненим вуглецевим волокном», потім затвердіває смолу, випікає її в печі при температурі 3000 градусів і повторює процес 4-5 разів. «Зрештою, ви отримаєте вуглецеве волокно, яке обгорне вас. Вуглець-вуглецева структура, про яку ми говоримо, – це чистий вуглець, без смол та інших речовин. «Передня та задня сторони теплового екрану виготовлені з цієї вуглець-вуглецевої пластини, яка, крім того, що є ізольованою, має дуже високу механічну міцність». Два шари вуглець-вуглецевих листів достатньо тонкі, щоб згинатися та навіть перекриватися. Посередині двошарового вуглець-вуглецевого матеріалу знаходиться шар вуглецевої піни товщиною близько 4,5 дюймів, яка зараз зазвичай використовується в медичній промисловості для створення альтернативних кісток. Сендвіч-конструкція підтримує всю конструкцію, схожу на гофрований картон, яка важить лише 160 фунтів (близько 73 кг) для всього теплового екрану товщиною 8 футів.
Піна також є найважливішою структурою для функції теплової ізоляції. Але 97% вуглецевої бульбашки складається з повітря, що ще більше зменшує вагу космічних зондів. Сам вуглець є теплопровідним, а структура піни також означає, що не так багато тепла передається. Бульбашки нелегко перевірити, вони надзвичайно крихкі. Але є ще одна проблема. «Коли вони нагріваються, вони горять», — сказав Абель. Горіння не є великою проблемою у вакуумі, але повітря, що залишилося під час випробування, призведе до того, що бульбашки перегорять на вугілля. Тому інженери Національної лабораторії Оук-Рідж за допомогою високотемпературних плазмових дугових ламп перевіряють тепловий екран цих вуглецевих пінопластів на високу термостійкість. Однієї лише теплоізоляції цих вуглецевих пінопластів недостатньо, щоб гарантувати, що детектори працюватимуть за необхідної температури. Оскільки в космосі немає розсіювання повітрям, єдиний спосіб розсіювати тепло — це розсіювати світло та випромінювати тепло у вигляді фотонів. Тому потрібен ще один захисний шар: білий захисний шар використовується для відбиття тепла та світла.
Схематична діаграма конструкції теплового екрану сонячного детектора Parker
З цією метою Лабораторія прикладної фізики Університету Джонса Гопкінса та Лабораторія передових технологій Інженерної школи Вайтинга (Лабораторія передових технологій Університету Джонса Гопкінса, Інженерна школа Вайтинга) сформували команду експертів з надрозкішних теплоізоляційних покриттів, які досліджували високотемпературну кераміку, хімічні та плазмові напилення покриттів. Завдяки подальшим випробуванням команда зрештою обрала білий захисний шар на основі оксиду алюмінію. Але захисний шар сірів би в середовищі високої температури через реакцію з вуглецем, тому інженери додали шар вольфраму посередині, тонший за волосся, і помістили його між тепловим екраном і білим екраном, щоб запобігти взаємодії між двома шарами. Вони також додали нанолегуючий агент, щоб зробити екрани білішими та запобігти тепловому розширенню частинок оксиду алюмінію. Денніс Нейгл, головний інженер-дослідник Центру системних наук та інженерії, сказав, що зазвичай при використанні кераміки перевага надається жорсткому, пористому покриттю, але матеріал ламається при ударі молотком. За температури, до якої доходить Parker, гладке покриття ламається, як вікно від удару каменем. Тому навіть пористі покриття можуть витримувати це екстремальне середовище. Коли в пористих покриттях виникають тріщини, вони зупиняються, коли досягають пор. Покриття складається з кількох грубих зернистих шарів – достатньо, щоб група керамічних частинок могла відбивати світло, що відсутнє від іншого шару.
Час публікації: 15 серпня 2018 р.