太阳轨道器如何对抗酷热

Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Genna Duberstein. Animation by ESA/ATG Medialab.
Image From: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/how-esa-nasa-solar-orbiter-beats-the-heat-shield-sun

当太阳轨道器开始其去往太阳的旅程之后,一个关键的问题一定会引起我们的思考:太阳轨道器如何屏蔽来自太阳的热量?

为了能看到太阳的南极和北极,太阳轨道器将运行在黄道平面上。这种轨道设计使得太阳轨道器既能够快速靠近太阳也能够快速远离太阳。也就是说,太阳轨道器不仅仅要面对高温也要面对极端的严寒。在运行到空间的暗处时,太阳轨道器将面对零下 300 华氏度 (约合零下 184 摄氏度) 的低温,而在距离太阳 2600万英里的位置,太阳轨道器将遭遇激烈的高温和宇宙射线的侵袭。

为此,太阳轨道其上装有重达 324 磅 (约合 147 千克) 的“热盾” (隔热板) 用以将热量反射和导引出去,这使得太阳轨道器能够抵抗最高 970 华氏度 (约合 521 摄氏度) 的高温。

热盾的外形像是一个 10 英尺 × 08 英尺 (约合 3.0 米 × 2.5 米) 的三明治——最前面的一层 (威化饼) 是薄薄的一层钛金属箔,主要用来反射热量。这层钛金属箔以蜂窝状的铝作为支撑,蜂窝状的结构表面可以覆盖更多的钛金属箔。

星型的钛合金支架可以将各层固定到一起,就像牙签把面包固定在一起一样。但是,这个“三明治”没有馅,热盾的内部有约 10 英寸的空隙。另一个较小的空隙位于航天器和热盾内层之间。总体上,热盾大约有 15 英寸厚。热盾外面有多只“眼睛”:遥感仪器的 5 个窥视孔。

热盾的外层涂有一层薄的,黑色的磷酸钙,这是一种木炭一样的粉末。数千年前,人类曾把磷酸钙用作颜料来绘制洞穴壁画。磷酸钙涂层能够抵抗强烈的紫外线产生的降解作用,尽管这些黑色的粉末也会吸收一部分热量,但仍能将大部分热量都反射出去。

除了来自太阳的热量,太阳轨道器还需要跟自己产生的热量抗衡。太阳轨道中的仪器在运行时也会产生热量,其内部的散热面板需要把这部分热量传导出去来保证仪器不会过热。保护这些仪器的关键是对太阳轨道器的位置和倾斜程度进行严格的控制。一旦太阳轨道器飞过了距离太阳 8800 万英里的标志性位置 (这里约是地球到太阳距离的 95 %), 太阳轨道器就必须像螃蟹一样横着在太空中前进,确保太阳轨道器和内部的仪器能够始终位于热盾的阴影里。

太阳轨道器是欧空局与 NASA 之间的国际合作项目。欧空局位于尼德兰 (荷兰) 的欧洲空间技术研究中心负责太阳轨道器的开发工作,欧洲太空运作中心将负责在发射后操控太阳轨道器。太阳轨道器由空中客车防务与太空公司建造,搭载有 10 台仪器:其中 9 台由欧空局成员国和欧空局提供,NASA 提供了一台仪器和一个传感器,该传感器为重离子传感器,是太阳风分析仪套件的一部分。

References:
[1]. How ESA-NASA’s Solar Orbiter Beats the Heat
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/how-esa-nasa-solar-orbiter-beats-the-heat-shield-sun

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