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太阳系中心之旅

日期: 来源:春寒阅读网编辑:心灵舒心

帕克[pà kè]太阳[tài yáng]探测器[tàn cè qì]如何安全地接近太阳?

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在过去的60年中,有12个人登上月球,宇宙飞船[yǔ zhòu fēi chuán]访问过包括水星和海王星在内的每颗行星,4台探测车在火星地表累计行走了超过60千米的路程。然而人类用于世界民用太空项目的费用已经高达数十亿美元, 却从未对太阳进行过近距离的观测。最近的一次是1976年太阳神2号探测器在距离太阳不到43公里的范围内观测。

这是为什么?并非人类对太阳缺乏兴趣,而是恰恰相反。在所有地球之外的星体中,太阳对我们[wǒ men]的影响最大:它控制着宇航员所承受的辐射剂量,而且对于我们日益依赖的无数颗卫星的电子系统[xì tǒng]深具影响力。太阳风暴甚至会扰乱电力网络,如1989年发生的那起著名事故,当时太阳风暴不仅使整个魁北克省供电中断,而且波及到整个美国国家电网。

因此,人类研究太阳有很多实用性原因。而且太阳具有诸多深奥的科学奥秘。与太阳系中的其他星体不同,太阳上方大气层的温度比太阳表面的温度要高两个数量级以上。这种现象人们称之为日冕加热,那么它是如何引起的?此外,是什么机制引发太阳风并将部分太阳大气层加速到300~700千米/秒呢?这类问题不胜枚举,几十年来一直在困扰着科学家们。

事实上,研究太阳从来就不是一件难事。自从太空时代开始以来,探测器对太阳附近异常恶劣环境的承受能力一直是一个限制因素。但近期出现的一些新技术克服了这一障碍,我们和其他研究人员一起在约翰•霍普金斯大学应用物理实验室内制造了一艘宇宙飞船,名为帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)。该探测器以天体物理学家尤金•帕克(Eugene Parker)的名字命名,于去年8月发射,最近刚刚完成第二次近距离飞越太阳。

该探测器最接近太阳的点距离太阳表面大概有600万千米,太阳辐射照度相当于地球轨道处的近500倍,每平方米高达650千瓦。这种极端紫外线所具有的巨大强度能够将材料迅速降解。然而,紫外线照射并不是唯一的挑战。掠日彗星被太阳引力撕裂后,离开满是灰尘的近太阳环境,以高于300千米/秒的速度飞驰,其运行速度比地球附近该类粒子的运行速度要高1个数量级。

为完成帕克太阳探测器的探测任务,宇宙飞船在自主进行科学测量的同时,需要至少在7年中经受大量灰尘和强辐射的攻击。在20世纪90年代之前完成这一壮举所需的各种技术根本不存在。高温碳复合泡沫出现后,可制造出轻质且足够坚硬的防热罩,为宇宙飞船的其他部分提供所需的遮蔽。在这之前,制造适用防热罩所需的耐火材料都太过于沉重,无法飞入太空。

帕克探测器团队花费了数年时间对这些材料进行改良,使其适用于宇宙飞船。在美国NASA确定现行策略之前,太阳探测任务的设计经历了10年的反复修订。该探测器与太阳之间的距离没有一些科学家预想的那样近,但这种折中方案可简化宇宙飞船的制造,并可多次(并非只有一两次)近距离接近太阳进行研究。

防热罩对于任务成功绝对至关重要,但其相关技术已有详细论述,在此我们将说明该探测器所用的具有同等重要性的太阳能[tài yáng néng]电池[diàn chí][tài yáng néng diàn chí]阵和冷却[lěng què]系统。其他宇宙飞船上从未使用过这种冷却系统,这就意味着,为了完成这一系统的设计和建造,我们的工程团队必须大胆探索无人涉足的新领域。

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每一艘宇宙飞船都需要配备电源系统。有些发送到太阳系的远程探测器采用放射性同位素热电机发电。阿波罗号指挥舱采用的是燃料电池。但更为常见的是利用太阳能光伏板发电。

因为帕克太阳探测器将在靠近太阳的空间区域内运行,所以你可能会认为工程师在设计宇宙飞船太阳能电池板[diàn chí bǎn]发电系统时会比较容易。事实却并非如此。我们的团队必须解决电池板在产出每瓦电能的同时所生成的高达13瓦的热能。这是环地球卫星的近500倍,因此,散热板的标准方法在这里不适用。

该探测器的太阳能电池阵包含双翼。各翼宽度约为2/3米,长度约为1米多一点。双翼内装有太阳能电池,能够在高辐照的工况下保持良好的工作状态。输出足够的电力并不成问题——真正的挑战在于如何使电池始终保持在低温状态。

这在很大程度上可通过控制探测器太阳能电池板的几何结构来实现。随着宇宙飞船逐渐接近太阳,装有电池的双翼的正面转向宇宙飞船船体,这样太阳光线照射双翼的角度较小,可降低电池板上的日光量,并使双翼处于防热罩的阴影或部分阴影下,防热罩厚度为11厘米,安装在宇宙飞船朝阳一面。

为使这一策略更好地发挥作用,我们把每翼都设计为具有两个不同部分。翼的大部分面积为第一级电池板,在绝大部分时间负责为飞船提供电力。但是,当宇宙飞船猛然靠近太阳时,双翼就会转一个角度,使第一级电池板全部处于防热罩的阴影下。只有翼尖端处小面积的第二级太阳板受到太阳的照射。

在早期,我们安装第二级太阳板时使它面向太阳的角度比第一级太阳板小一些。我们的目标是确保日光照在表面的角度永远不会小于10度。如果角度变得太尖锐,那么,即便是角度发生很小的变化,也会导致输出电量产生较大变化,这样就会难以控制。

在对性能进行建模时,我们就像设计太阳能电池阵时一样认真。建模很棘手,在这个任务中,我们不能仅仅将太阳看作一个遥远的点状辐射源:我们必须考虑探测器何时接近太阳,防热罩的部分阴影将导致太阳能电池仅能够接收到来自太阳圆面外缘(天文学家称之为边缘)的光线。

与整个太阳光相比,边缘光的颜色较红且较暗淡。这是因为边缘光必须穿越很厚的太阳大气低层,再由太阳大气高层透出来,太阳大气高层的温度较低。为了能够预测太阳能电池板的电力输出,我们必须随着探测器与太阳之间距离的不断变化,计算落在电池板上光线颜色发生的变化。

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在设计探测器光伏电池阵列时,我们最大的担忧并不是发射后其不能正常工作,而是随着时间的推移,其老化速度可能会比预期的快。这在之前的一些接近太阳的太空探测器已经发生过。

例如,信使号水星任务所用的太阳能电池阵(也是由约翰•霍普金斯大学应用物理实验室设计、建造和操作的)预测老化的速度是在11年的任务期间内老化10%。而事实上,因无人知晓的原因,其电力输出量减少了50%。

虽然如此,信使号仍是成功的,因为其与太阳之间的距离相对较近,足够的日光能够在其中一个阵列未按照预期发挥作用的情况下为飞船提供足够能源。但是对于帕克太阳探测器而言,情况却并非如此。其高椭圆轨道会使其周期性地脱离金星轨道。在远离太阳期间,如果其太阳能电池板提供的电量大大低于预期,探测器将停止工作。

在初次设计帕克探测器时,我们决定将其太阳能电池阵设计成即便出现与信使号相类似的情况也不会影响探测器正常工作的模式。但是,随着探测器设计的逐渐成熟,我们团队和应用物理实验室的其他研究人员一致决定采取不同的策略。我们决心找出造成早期宇宙飞船上太阳能电池板异常老化的原因,这样,就可以避免类似问题的发生。

最初,我们猜想可能存在两个原因。一种可能是制造电池板时使用的粘合剂发生脱气。据我们推断,这种脱气会在电池表面生成一层粘合剂材料薄膜,而后在紫外线照射下变成棕色。所有的太阳能电池阵列都会存在一定程度的脱气,但是由于高温和辐射的影响会更加恶化。

另一种可能是将玻璃罩粘在太阳能电池上所用的透明胶因紫外线的照射变成了棕色。通过广泛的测试,我们发现这的确是大部分电池老化的原因。

我们很快就断定,我们可除去玻璃罩粘合剂中具有较强挥发性的成分来降低粘合剂变暗的可能性。这一过程需要在真空环境下对电池阵列进行加热,同时将其暴露在强烈的紫外线下,紫外线由发光二极管提供。像其他电子元器件的老化一样,太阳能电池板在紫外线的“灼烧”下也会发生一定的老化,但为了在整个任务期间避免后期出现变暗的危险,这只是一点小小的代价。

当然,我们需要确定我们的策略能够发挥实际作用。为测试该理论,我们必须将电池阵列置于类似于其接近太阳时会出现的环境中。这些条件很难人为制造出来。

为达到目标,我们采用了80部八面镜。每面镜子单独旋转,随太阳的移动将日光反射至固定目标上。这种装置称为定日镜,有时会被用来给常年处在阴影中的地方提供日光。太阳能工厂就使用大量的定日镜将日光反射到中央塔上。我们将这些定日镜安装在新墨西哥州的一处设施上,此设施是为此项测试专门修建的,它能将太阳能电池板放置在真空中,并受到集中日光的照射。

利用定日镜将日光集中到宇宙飞船的太阳能电池阵上,这种操作实属奇特。但是非常有用,简直妙不可言。在组装探测器时,其光伏板已经通过了相应工作条件和曝光时间的测试,在此之前,所有太空用全尺寸太阳能电池阵都未经历过这样的测试。

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有了我们采取的所有预防措施和进行的所有测试,我们完全有信心,电池板不会出现异常变暗现象。但是我们仍需要确保电池板内的电池能够保持充分的冷却状态。

典型的宇宙飞船太阳能电池阵采用被动方式管理自身温度:太阳能电池一般安装在环氧树脂复合面板的一个面上,吸收太阳光会使温度升高,热量通过复合面板的蜂窝网格,从前后两面向外辐射进入太空。典型太空用太阳能电池板的运行温度为-70℃~100℃——这一温度范围不高,不需要采用任何特殊材料或涂层。

帕克太阳探测器上采用的太阳能光伏板不同,必须进行主动冷却。为此,我们将电池安装在钛制薄板上,薄板内部具有很多供冷却水流动的狭窄管道,与防止汽车发动机过热的冷却系统差不多。但帕克探测器上的冷却系统不使用防冻剂。其采用普通的去离子水,就像蒸汽熨斗中使用的水一样。与汽车冷却系统一样,系统会被增压,防止冷却液在高温情况下沸腾。

在探测器接近太阳时,冷却系统必须处理电池板双翼上约5 900瓦特的热负荷。散热通过4个单独的散热器进行,每个散热器约有1平方米大小,都位于探测器防热罩的阴影下。这些散热器以及冷却液泵和其他关键部件,在宇宙飞船上都有备件,如果主构件发生故障,相应的备件就会启动。

虽然我们将大部分精力集中在如何防止过热的风险,但是,如果电池温度过低,同样会出现可怕的后果。在发射后大概1个小时内,宇宙飞船将无法处在阳光温暖的照射下,然后还会短暂地位于金星的阴影中,我们必须确保冷却系统中的水温不会降到冰点以下。在寒冷的冬夜经历过家中水管爆裂的人肯定知道,水在结冰后体积会膨胀。探测器冷却系统中如果出现结冰堵塞,就会导致管道破裂,使整个任务终止。我们显然需要避免发生这一情况的任何可能性。

发射时,冷却系统大部分处于排空状态,水被储存在称为蓄水池的容器中。在发射前,水被加热至大概50℃——防止在初次通水时,遇到宇宙飞船管道内的某一低温点可能出现的结冰现象。

太阳能电池阵列在启动前,会展开通过阳光照射升温。同时,4个散热器中有两个也会进行加热,在加热过程中飞船会旋转,以免进行加热的散热器处在防热罩的阴影中。当这些部件都变得足够热以后,各阀门会开启使预热水从蓄水池中流出。当半个冷却系统都充满水后,宇宙飞船开始运转。数周以后,当探测器接近太阳时,其他两个散热器会以同样的方式加热,并注满冷却剂。冷却系统确保每块光伏电池的最高温度都不会超过120℃。

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现在,帕克探测器已在太空中工作了将近9个月的时间,正在执行为期多年的探测神秘日冕的任务,之前人们认为使用宇宙飞船直接探测太阳系的日冕太危险。而该探测器当前运行良好,对太阳活动的科学认识日益加深,这要归功于整个团队所有人近1 000万小时的共同努力,才使这一巨大工程获得成功。

探测器已完成其24次接近太阳计划中的前两次,在这个过程中,通过观测回答了一些问题,同时也提出了一些问题。可以预见,它将成为所有科学努力的最佳标志。

作者:Andrew Driesman,Jack Ercol, Edward Gaddy, Andrew Gerger

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