Каждый прибор и система на борту Parker Solar Probe (за исключением четырех антенн и специального детектора частиц) будут скрыты от солнца за прорывной системой тепловой защиты (TPS) — щитом диаметром восемь футов, который использует космический корабль. чтобы защитить себя от сильного жара и энергии нашей звезды.Каждая система будет защищена, за исключением двух солнечных батарей, питающих космический корабль. Когда космический корабль находится ближе всего к Солнцу, солнечные батареи будут получать в 25 раз больше солнечной энергии, чем при движении по орбите вокруг Земли, а температура на TPS достигнет более 2500 ° F (1370 ° C). Система охлаждения будет поддерживать массивы при номинальной температуре 320 ° F (160 ° C) или ниже.
«Наши солнечные батареи будут работать в экстремальных условиях, в которых раньше никогда не работали другие миссии», — сказала Мэри Кэй Локвуд из лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса, системный инженер космического корабля Parker Solar Probe.Новые инновации для выживания в адуСамые дальние края солнечных батарей изогнуты вверх, и когда космический корабль находится ближе всего к Солнцу, эти небольшие кусочки массива будут выходить за пределы защиты TPS, чтобы производить достаточно энергии для систем космического корабля.
Невероятный жар нашей звезды может повредить массивы обычных космических кораблей. Таким образом, как и многие другие технологические достижения, созданные специально для этой миссии, APL в сотрудничестве с United Technologies Aerospace Systems (UTAS) в Виндзор-Локс, Коннектикут (которая произвела система охлаждения) и SolAero Technologies из Альбукерке, Нью-Мексико (которая производит солнечные батареи).
«Это все новое», — сказал Локвуд об инновациях, связанных с активно охлаждаемой системой солнечных батарей. «НАСА финансировало программу Parker Solar Probe, которая включала разработку технологий солнечных батарей и их системы охлаждения. Мы тесно сотрудничали с нашими партнерами в UTAS и SolAero, чтобы разработать эти новые возможности, и мы разработали очень эффективную систему».Система охлаждения Parker Solar Probe состоит из нескольких компонентов: подогреваемый аккумуляторный бак, который будет удерживать воду во время запуска («Если бы в системе была вода, она бы замерзла», — сказал Локвуд); двухскоростные насосы; и четыре радиатора из титановых трубок (которые не подвержены коррозии) со спортивными алюминиевыми ребрами толщиной всего две сотых дюйма.
Как и вся энергия космического корабля, система охлаждения питается от солнечных батарей — тех самых батарей, которые ей необходимы для охлаждения, чтобы обеспечить ее работу. При номинальной рабочей мощности система обеспечивает охлаждающую способность 6000 Вт — этого достаточно для охлаждения жилой комнаты среднего размера.Несколько удивительно, что используемая охлаждающая жидкость представляет собой не что иное, как обычную воду под давлением — примерно пять литров, деионизированную для удаления минералов, которые могут загрязнить или повредить систему. Анализ показал, что во время миссии охлаждающая жидкость должна будет работать при температуре от 50 ° F (10 ° C) до 257 ° F (125 ° C) — и некоторые жидкости могут выдерживать такие диапазоны, как вода. «Часть финансирования демонстрации технологий НАСА была использована APL и нашими партнерами в UTAS для исследования различных охлаждающих жидкостей», — сказал Локвуд. «Но для требуемого диапазона температур и ограничений по массе решением была вода».
Вода будет находиться под давлением, в результате чего температура кипения поднимется выше 257 ° F.Солнечные батареи отличаются собственными техническими новинками. «Мы многое узнали о характеристиках солнечных батарей с космического корабля MESSENGER [построенного APL], который первым изучал Меркурий, — сказал Локвуд. «В частности, мы узнали, как спроектировать панель, которая уменьшит деградацию от ультрафиолетового света».Покровное стекло поверх фотоэлектрических элементов является стандартным, но способ передачи тепла от элементов к подложке панели, плите, уникален. Был создан специальный керамический носитель, который был припаян ко дну каждой ячейки, а затем прикреплен к плите с помощью специально подобранного теплопроводящего клея, чтобы обеспечить лучшую теплопроводность в системе, обеспечивая при этом необходимую электрическую изоляцию.
От льда к огню: запускайте испытанияВ то время как необычайно жаркое солнце будет самой серьезной проблемой для космического корабля, минуты сразу после запуска на самом деле являются одним из самых важных этапов работы космического корабля на раннем этапе.
Когда Parker Solar Probe запускает на борту тяжелой ракеты ULA Delta IV со станции ВВС на мысе Канаверал, Флорида, летом 2018 года система охлаждения будет подвергаться резким колебаниям температуры. «Еще многое нужно сделать, чтобы вода не замерзла», — сказал Локвуд.Во-первых, температура солнечных батарей и радиаторов системы охлаждения упадет с температуры в обтекателе (около 60 ° F или 15 ° C) до температуры в диапазоне от -85 ° F до -220 ° F (от -65 ° C до -140 ° C). ° C) до того, как их можно будет согреть на солнце. Предварительно подогретый бак с охлаждающей жидкостью не даст воде замерзнуть; Специально разработанные радиаторы, защищающие от жары и сильных солнечных лучей, также смогут пережить сильный мороз благодаря новому процессу склеивания и инновациям в дизайне.
Менее чем через 60 минут космический корабль отделится от ракеты-носителя и начнет последовательность действий после отделения. Он будет вращаться, чтобы указывать на солнце; солнечные батареи выйдут из пусковых шлюзов; массивы повернутся, чтобы указывать на солнце; откроется запорный клапан, чтобы выпустить теплую воду в два из четырех радиаторов и солнечные батареи; насос включится; космический корабль вернется к номинальной ориентации, нагревая два самых холодных и неактивированных излучателя; и мощность от охлаждаемых солнечных батарей начнет заряжать батарею.
Во-первых, эта сложная и важная серия задач будет выполняться космическим кораблем автономно, без какого-либо вмешательства со стороны центра управления полетом.Вода для двух неактивированных радиаторов останется в резервуаре для хранения в течение первых 40 дней полета; после этого активируются последние два радиатора.«Одна из самых больших проблем при тестировании — это переход от очень холодного к очень горячему за короткий промежуток времени», — сказал Локвуд. «Но эти тесты и другие тесты, показывающие, как система работает при полностью нагретом TPS, довольно хорошо коррелировали с нашими моделями».
Благодаря тестированию и моделированию команда изучила данные и увеличила тепловое покрытие на первых двух радиаторах, которые должны были активироваться, чтобы сбалансировать максимальную их мощность в конце миссии и еще больше снизить риск замерзания воды в начале миссии. .Сохранение прохлады, автономноКогда Parker Solar Probe пролетит мимо Солнца со скоростью около 450 000 миль в час (724 000 км / ч), это будет в 90 миллионах миль от диспетчеров миссии на Земле — слишком далеко для команды, чтобы «вести» космический корабль. Это означает, что корректировки того, как космический корабль защищает себя с помощью TPS, должны обрабатываться бортовыми системами наведения и управления Parker Solar Probe. В этих системах используется новое и эффективное автономное программное обеспечение, позволяющее космическому кораблю мгновенно изменять свое наведение для максимальной защиты от солнца.
Эта автономная способность имеет решающее значение для работы солнечных батарей космического корабля, которые необходимо постоянно регулировать для получения оптимального угла, поскольку Parker Solar Probe преодолевает резкую, перегретую корону Солнца.«Во время столкновений с солнечными лучами очень небольшие изменения угла крыла солнечной батареи могут значительно изменить необходимую охлаждающую способность». Локвуд сказал, что изменение угла наклона одного крыла на один градус потребует на 35 процентов больше охлаждающей способности.
Постоянная проблема — следить за тем, чтобы космический корабль и массивы оставались прохладными.«Невозможно произвести эти корректировки с земли, а это значит, что он должен сам себя направлять», — сказал Локвуд. «APL разработала множество систем, включая управление углом крыла, наведение и управление, систему электропитания, авионику, управление неисправностями, автономное и полетное программное обеспечение, — которые являются критически важными частями, работающими с системой охлаждения солнечной батареи».
Локвуд добавил: «Этот космический корабль, вероятно, является одной из самых автономных систем, которые когда-либо летали».Эта автономия, наряду с новой системой охлаждения и новаторскими модернизациями солнечных батарей, будет иметь решающее значение для обеспечения того, чтобы Parker Solar Probe мог выполнять невиданные ранее научные исследования на Солнце, которые ответят на вопросы ученых о нашей звезде и ее короне. . Узнайте больше об этих вопросах на http://solarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Science-Objectives.