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NS0595碳纖維助力NASA完成史詩級發射任務
來源: DeepTech深科技 時間: 2018-08-15 瀏覽: 5845

北京時間8月12日下午3點31分,具有歷史意義的帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)在卡納維拉爾角空軍基地 SLC-37B 發射位由德爾塔4 重型火箭發射升空。在經過了 43 分鐘的飛行之后,雖然期間經歷了第三級疑似失聯的驚險時刻,還好是最終有驚無險,帕克探測器成功與火箭分離,獨自踏上了奔赴太陽的漫漫長路,也就此揭開了人類探索太陽的新征程!

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圖丨現場發射

 打造飛向太陽的“不死之身”

為創造到達距太陽最近位置的世界紀錄,人們必須找到能抵抗前所未有超高溫度的材料??梢哉f,如果沒有熱保護系統(TPS),就沒有 Parker 。

按計劃,Parker 將進入距太陽表面 400 萬英里范圍內(611 萬公里)。為了適應這種極熱的環境,探測器將攜帶一復合熱保護罩,罩子將抵抗來自太陽的強光。這一隔熱罩在 10 年前還不可能造出。

假設你是一個在地球軌道上的 1 平方米大的衛星,太陽到達你身上的能量大約是 1350 瓦,但是 Parker 要到達的位置是比這個位置近約 25 倍的地方,也就是每平米隔熱罩大約要承受 85 萬瓦能量。如果算上面積,Parker 太陽探測器需承受約 300 萬瓦的能量。

探測器的隔熱罩也被稱為熱保護系統(TPS),由兩個碳增強材料復合層和中間夾約 4.5 英寸(11.43cm)的碳泡沫構成。隔熱罩朝向太陽的一面還涂了一層特殊的白色涂層,以盡量反射來自太陽的能量。這種材料可以抵抗 2500 華氏度高溫(約 1371℃),保證儀器在約 85 華氏度(約 30℃)環境下運轉。

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“如果這項任務是在上世紀 60 年代到 70 年代,甚至 80 年代的時候部署,那么可能飛上天的是耐高溫金屬,”Driesman 說,“科學家將建造一個具有超高熔點的金屬熱盾,但永遠不可能把它送上天,因為金屬實在是太沉了?!?/span>

與大多數商業碳纖維不同,它們的碳-碳結構沒有通過硬化樹脂聚合在一起,因為硬化樹脂會像熱路面上的石油一樣在太陽附近蒸發。為了制造隔熱罩,NASA用“切碎的碳纖維”填充樹脂,然后讓樹脂硬化,再用 3000 度的烤爐烤它,然后重復這一過程 4 到 5 次。

“最終你將獲得纏繞在一起的碳纖維。我們所說的碳-碳結構只是純碳,不含樹脂和別的物質?!?/span>

熱保護罩的正面和反面由這種碳-碳板構成,除了隔熱,這種輕質材料還具有超強的機械強度。2 層碳-碳板薄到能夠彎折,甚至它們能彼此重疊。在兩層碳-碳材料中間有一層約 4.5 英寸的碳泡沫,這種材料目前一般于醫療行業制造替代骨骼。這一三明治設計撐起了整個結構——就像瓦楞紙板——這也讓整個 8 英尺厚的隔熱罩僅重 160 磅(約 73kg)。

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泡沫也是熱保護罩隔熱功能最重要的結構。但碳泡沫中 97% 是空氣,為了進一步降低空間探測器的重量。碳本身是導熱的,泡沫結構也意味著沒有那么多的熱可以傳導。

泡沫不容易進行測試,它們極其易碎。但此外還有另一個問題。

“當它們變熱后,它們會燃燒?!盇bel 說。

燃燒在真空中并不是什么大問題,但在測試中間隙剩余的空氣將導致這些泡沫燒焦變成木炭。所以,國家橡樹嶺實驗室的工程師用高溫等離子弧燈測試隔熱罩中這些碳泡沫的耐高溫能力。

僅憑這些碳泡沫的隔熱性能并不足夠保證探測器能在要求的溫度下工作。因為在空間中并沒有空氣散熱,唯一的散熱方式是散射光并以光子的形式發出熱量。因此,另一個保護層是需要的:一個白色的保護層用來反射熱量和光。

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| Parker 太陽探測器熱防護罩結構示意圖(圖源:GREG STANLEY / OFFICE OF COMMUNICATIONS)

為此,約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室與懷廷工程學院的先進技術實驗室(Advanced Technology Laboratory in Johns Hopkins University's Whiting School of Engineering)合作,組成了一個隔熱涂層超豪華陣容的專家團隊,團隊研究范圍覆蓋高溫陶瓷,化學和等離子噴涂涂層。

通過進一步的測試,團隊最終選擇基于氧化鋁的白色保護層。但這個保護層會與碳反應而在高溫環境中變灰,因此工程師們在中間加了一層鎢,鎢層比頭發絲還要薄,涂在熱保護罩和白色防護層中間以防止兩層間相互反應。他們還加了納米摻雜劑讓防護層更白并阻止氧化鋁顆粒的熱膨脹。

系統科學與工程中心的首席研究工程師 Dennis Nagle 說,通常在使用陶瓷時,首選硬質無孔涂層,但用錘子擊打時材料會破裂。在 Parker 面臨的溫度下,光滑的涂層會像用石頭撞擊的窗戶一樣破碎。因此,均勻的多孔涂層反而可以承受這一極端環境。當多孔涂層中出現裂縫時,裂縫會在到達孔隙時停止。涂層由幾個粗糙的顆粒層組成——足以使一組陶瓷顆粒反射另一層錯過的光。

 最熟悉也最陌生的太陽 

而科學家們耗盡心思制造出 Parker ,正是希望能夠讓人類離太陽更近一步——一則是憑借機器靠近它,二則是對其進行更深入的研究。

太陽是我們太陽系中唯一的恒星,通過對太陽的探索,我們就可以進而了解宇宙中其它恒星的秘密。

太陽為地球上的生命提供了必需的光和能量,我們對太陽了解的越多,就越能明白地球上生命的起源。

太陽也對人類產生著消極的影響,來自太陽表面的太陽風以超過 500 公里/秒的速度源源不斷地向地球襲來,干擾著我們的磁場,破壞地球電離層的結構,造成我們的無線電通信中斷,甚至影響地球大氣,引起火山爆發和地震。

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圖丨太陽風概念示意圖

根據記錄,每當太陽風強烈時,衛星的機載設備總會受到干擾,進而影響的工作壽命,而人類也會因為輻射的增強而出現免疫力下降甚至病變等現象。所以,正如遠航的水手敬畏大海一樣,為了實現人類未來走出地球,邁向火星和深空的愿景,就必須了解太空中的空間環境,尤其是太陽風的作用。

而太陽目前也有不少神秘之處,例如太陽溫度的分布之謎:為什么日冕比太陽表面更熱?

在太陽風不能繼續推動星際媒質的地方稱之為日球層頂(heliopause),這也通常被認為是太陽系的外邊界。這個邊界距離太陽到底多遠還沒有精確的結果,可能根據太陽風的強弱和當地星際媒質的密度而變化。一般認為它遠遠超過了冥王星的軌道。

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| 太陽結構(圖源:Wikipedia

太陽大氣層主要分為 5 個部分:溫度極小區、色球、過渡區、日冕和太陽圈。其中位于最外層的太陽圈是太陽大氣層最稀薄的,可延伸至冥王星軌道之外與星際物質交界。也就是說,其實我們生活在太陽的大氣層中。

其中,溫度極小區大約 4000 攝氏度,色球層大約 20000 攝氏度,過渡區約 1000000 攝氏度,日冕層和太陽風約 1000000-2000000 攝氏度,太陽圈從大約 20 個太陽半徑到太陽系邊緣其溫度逐漸下降。

色球、過渡區和日冕都比太陽表面溫度高,一些證據指向阿爾文波可能攜帶了足夠的能量將日冕加熱。阿爾文波是等離子體中的一種沿磁場方向傳播的波。但這一現象的原因還未獲得證實。

還有兩個我們人類息息相關的問題是,空間天氣如何形成?又如何影響地球?

空間天氣涉及包括太陽風在內一系列太陽系空間條件變化,其研究重點強調地球周圍的空間,包括磁層、電離層、熱層和外層條件??臻g天氣一直影響著地球,這些影響以高緯度極光為代表,但其背后成因一直未被了解。

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| 太陽風吹向地球(圖源:Wikipedia)

太陽風特指由太陽上層大氣射出的超高速等離子體(帶電粒子)流。在太陽日冕層的高溫(一百萬攝氏度)下,氫、氦等原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快,以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛,射向太陽的外圍,形成太陽風。太陽風的速度一般在 200-800km/s。一般認為在太陽極小期,從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風,從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風。 

太陽風的組成和太陽的日冕組成完全相同。73% 的是氫,25% 的是氦,還有其他一些微蹤雜質。日冕是不穩定的,它可形成太陽風,耀斑和日冕物質拋射,我們需要對這些現象的形成的原因進行研究。上百萬噸的高磁化材料可從太陽中以幾百萬英里每小時的速度拋出,這相當于一秒鐘從華盛頓到洛杉磯的速度。而我們并不知道它們是如何被加速的。

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| 太陽風吹向火星藝術效果圖。(圖源:NASA)

從太陽上發射出的危險的電子和質子不能穿透地球的大氣層到達地球表面是因為,地球有自己的磁場,這一磁場迫使這些粒子向其他方向運動,保護著地球。同時,地球也對太陽的變化做出回應。但火星并沒有地球這么幸運。在 2015 年一項研究中,科學家認為,就是太陽風將火星的大氣層剝離。

一部分這些帶電粒子能夠進入地球磁層。它們將繞著磁場做螺旋運動。其中,陽離子往西緩慢漂流,陰離子往東漂流,形成環狀電流。這一電流會減弱地表的磁場。在穿透電離層時,帶電粒子會與那里的原子發生碰撞,從而產生極光并發出X光。因此,極光也是一種空間天氣的物理現象。

極光是地球周圍的一種大規模放電的過程。來自太陽的帶電粒子到達地球附近,地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣(>80km)時,與大氣中的原子和分子碰撞并激發,能量釋放產生的光芒形成圍繞著磁極的大圓圈,即極光。

極光也會發生在其它行星上,與地球一樣,它們也出現在行星磁極的附近。木星和土星這兩顆行星都有比地球更強的磁場,而且兩者也都有強大的輻射帶。哈伯太空望遠鏡可以很清楚的看見這兩顆行星的極光。

在金星和火星上也曾觀測到極光。因為金星沒有內在(行星本身)的磁場,金星的極光呈現不同的形狀和強度,看起來是明亮但彌漫的補丁,有時會分布在整個行星的盤面。

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| 地球上的極光(圖源:Wikipedia)

太陽風的分布會影響地球的磁場,同時將能量泵入輻射帶??臻g天氣可影響衛星的軌道,并降低衛星的壽命??臻g天氣也會導致地球磁場的震動,這將導致大面積電力設備毀壞。

科學家想了解太陽風如何形成如何變化以及這些變化如何影響地球。而本次的任務對日-地之間聯系十分重要。任務將收集一些對理解和預測空間天氣極為重要的數據。這將推動太陽圈、地球和其他行星極光和磁層的基礎物理學研究,以及幫助提高衛星通訊、電網問題、管道腐蝕、航空航線輻射暴露及宇航員安全等研究。

而以上這些太陽的謎題都將隨著Parker為我們帶回珍貴的極近距離太陽探測數據而得到解答的可能。 Parker 的任務結束日期是2025年6月,按照科學家的計劃,它將在任務結束之后墜向太陽,被分解成越來越小的碎片,并成為宇宙塵埃的一部分。

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