2020年08月09日 星期日
欢迎您来到中国复合材料学会官方网站
国际资讯
NS0595碳纤维助力NASA完成史诗级发射任务
来源: DeepTech深科技 时间: 2018-08-15 浏览: 3935

北京时间8月12日下午3点31分,具有历史意义的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)在卡纳维拉尔角空军基地 SLC-37B 发射位由德尔塔4 重型火箭发射升空。在经过了 43 分钟的飞行之后,虽然期间经历了第三级疑似失联的惊险时刻,还好是最终有惊无险,帕克探测器成功与火箭分离,独自踏上了奔赴太阳的漫漫长路,也就此揭开了人类探索太阳的新征程!

141148152_1_20180812051344490.gif 

图丨现场发射

 打造飞向太阳的“不死之身”

为创造到达距太阳最近位置的世界纪录,人们必须找到能抵抗前所未有超高温度的材料。可以说,如果没有热保护系统(TPS),就没有 Parker 。

按计划,Parker 将进入距太阳表面 400 万英里范围内(611 万公里)。为了适应这种极热的环境,探测器将携带一复合热保护罩,罩子将抵抗来自太阳的强光。这一隔热罩在 10 年前还不可能造出。

假设你是一个在地球轨道上的 1 平方米大的卫星,太阳到达你身上的能量大约是 1350 瓦,但是 Parker 要到达的位置是比这个位置近约 25 倍的地方,也就是每平米隔热罩大约要承受 85 万瓦能量。如果算上面积,Parker 太阳探测器需承受约 300 万瓦的能量。

探测器的隔热罩也被称为热保护系统(TPS),由两个碳增强材料复合层和中间夹约 4.5 英寸(11.43cm)的碳泡沫构成。隔热罩朝向太阳的一面还涂了一层特殊的白色涂层,以尽量反射来自太阳的能量。这种材料可以抵抗 2500 华氏度高温(约 1371℃),保证仪器在约 85 华氏度(约 30℃)环境下运转。

141148152_10_20180812051345881.jpg

“如果这项任务是在上世纪 60 年代到 70 年代,甚至 80 年代的时候部署,那么可能飞上天的是耐高温金属,”Driesman 说,“科学家将建造一个具有超高熔点的金属热盾,但永远不可能把它送上天,因为金属实在是太沉了。”

与大多数商业碳纤维不同,它们的碳-碳结构没有通过硬化树脂聚合在一起,因为硬化树脂会像热路面上的石油一样在太阳附近蒸发。为了制造隔热罩,NASA用“切碎的碳纤维”填充树脂,然后让树脂硬化,再用 3000 度的烤炉烤它,然后重复这一过程 4 到 5 次。

“最终你将获得缠绕在一起的碳纤维。我们所说的碳-碳结构只是纯碳,不含树脂和别的物质。”

热保护罩的正面和反面由这种碳-碳板构成,除了隔热,这种轻质材料还具有超强的机械强度。2 层碳-碳板薄到能够弯折,甚至它们能彼此重叠。在两层碳-碳材料中间有一层约 4.5 英寸的碳泡沫,这种材料目前一般于医疗行业制造替代骨骼。这一三明治设计撑起了整个结构——就像瓦楞纸板——这也让整个 8 英尺厚的隔热罩仅重 160 磅(约 73kg)。

 141148152_11_201808120513466.jpg

泡沫也是热保护罩隔热功能最重要的结构。但碳泡沫中 97% 是空气,为了进一步降低空间探测器的重量。碳本身是导热的,泡沫结构也意味着没有那么多的热可以传导。

泡沫不容易进行测试,它们极其易碎。但此外还有另一个问题。

“当它们变热后,它们会燃烧。”Abel 说。

燃烧在真空中并不是什么大问题,但在测试中间隙剩余的空气将导致这些泡沫烧焦变成木炭。所以,国家橡树岭实验室的工程师用高温等离子弧灯测试隔热罩中这些碳泡沫的耐高温能力。

仅凭这些碳泡沫的隔热性能并不足够保证探测器能在要求的温度下工作。因为在空间中并没有空气散热,唯一的散热方式是散射光并以光子的形式发出热量。因此,另一个保护层是需要的:一个白色的保护层用来反射热量和光。

141148152_12_20180812051346100.jpg 

| Parker 太阳探测器热防护罩结构示意图(图源:GREG STANLEY / OFFICE OF COMMUNICATIONS)

为此,约翰霍普金斯大学的应用物理实验室与怀廷工程学院的先进技术实验室(Advanced Technology Laboratory in Johns Hopkins University's Whiting School of Engineering)合作,组成了一个隔热涂层超豪华阵容的专家团队,团队研究范围覆盖高温陶瓷,化学和等离子喷涂涂层。

通过进一步的测试,团队最终选择基于氧化铝的白色保护层。但这个保护层会与碳反应而在高温环境中变灰,因此工程师们在中间加了一层钨,钨层比头发丝还要薄,涂在热保护罩和白色防护层中间以防止两层间相互反应。他们还加了纳米掺杂剂让防护层更白并阻止氧化铝颗粒的热膨胀。

系统科学与工程中心的首席研究工程师 Dennis Nagle 说,通常在使用陶瓷时,首选硬质无孔涂层,但用锤子击打时材料会破裂。在 Parker 面临的温度下,光滑的涂层会像用石头撞击的窗户一样破碎。因此,均匀的多孔涂层反而可以承受这一极端环境。当多孔涂层中出现裂缝时,裂缝会在到达孔隙时停止。涂层由几个粗糙的颗粒层组成——足以使一组陶瓷颗粒反射另一层错过的光。

 最熟悉也最陌生的太阳 

而科学家们耗尽心思制造出 Parker ,正是希望能够让人类离太阳更近一步——一则是凭借机器靠近它,二则是对其进行更深入的研究。

太阳是我们太阳系中唯一的恒星,通过对太阳的探索,我们就可以进而了解宇宙中其它恒星的秘密。

太阳为地球上的生命提供了必需的光和能量,我们对太阳了解的越多,就越能明白地球上生命的起源。

太阳也对人类产生着消极的影响,来自太阳表面的太阳风以超过 500 公里/秒的速度源源不断地向地球袭来,干扰着我们的磁场,破坏地球电离层的结构,造成我们的无线电通信中断,甚至影响地球大气,引起火山爆发和地震。

141148152_13_20180812051346272.gif 

图丨太阳风概念示意图

根据记录,每当太阳风强烈时,卫星的机载设备总会受到干扰,进而影响的工作寿命,而人类也会因为辐射的增强而出现免疫力下降甚至病变等现象。所以,正如远航的水手敬畏大海一样,为了实现人类未来走出地球,迈向火星和深空的愿景,就必须了解太空中的空间环境,尤其是太阳风的作用。

而太阳目前也有不少神秘之处,例如太阳温度的分布之谜:为什么日冕比太阳表面更热?

在太阳风不能继续推动星际媒质的地方称之为日球层顶(heliopause),这也通常被认为是太阳系的外边界。这个边界距离太阳到底多远还没有精确的结果,可能根据太阳风的强弱和当地星际媒质的密度而变化。一般认为它远远超过了冥王星的轨道。

141148152_14_20180812051346490.jpg 

| 太阳结构(图源:Wikipedia

太阳大气层主要分为 5 个部分:温度极小区、色球、过渡区、日冕和太阳圈。其中位于最外层的太阳圈是太阳大气层最稀薄的,可延伸至冥王星轨道之外与星际物质交界。也就是说,其实我们生活在太阳的大气层中。

其中,温度极小区大约 4000 摄氏度,色球层大约 20000 摄氏度,过渡区约 1000000 摄氏度,日冕层和太阳风约 1000000-2000000 摄氏度,太阳圈从大约 20 个太阳半径到太阳系边缘其温度逐渐下降。

色球、过渡区和日冕都比太阳表面温度高,一些证据指向阿尔文波可能携带了足够的能量将日冕加热。阿尔文波是等离子体中的一种沿磁场方向传播的波。但这一现象的原因还未获得证实。

还有两个我们人类息息相关的问题是,空间天气如何形成?又如何影响地球?

空间天气涉及包括太阳风在内一系列太阳系空间条件变化,其研究重点强调地球周围的空间,包括磁层、电离层、热层和外层条件。空间天气一直影响着地球,这些影响以高纬度极光为代表,但其背后成因一直未被了解。

141148152_15_20180812051346553.jpg

| 太阳风吹向地球(图源:Wikipedia)

太阳风特指由太阳上层大气射出的超高速等离子体(带电粒子)流。在太阳日冕层的高温(一百万摄氏度)下,氢、氦等原子已经被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子运动速度极快,以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚,射向太阳的外围,形成太阳风。太阳风的速度一般在 200-800km/s。一般认为在太阳极小期,从太阳的磁场极地附近吹出的是高速太阳风,从太阳的磁场赤道附近吹出的是低速太阳风。 

太阳风的组成和太阳的日冕组成完全相同。73% 的是氢,25% 的是氦,还有其他一些微踪杂质。日冕是不稳定的,它可形成太阳风,耀斑和日冕物质抛射,我们需要对这些现象的形成的原因进行研究。上百万吨的高磁化材料可从太阳中以几百万英里每小时的速度抛出,这相当于一秒钟从华盛顿到洛杉矶的速度。而我们并不知道它们是如何被加速的。

141148152_16_20180812051346709.jpg 

| 太阳风吹向火星艺术效果图。(图源:NASA)

从太阳上发射出的危险的电子和质子不能穿透地球的大气层到达地球表面是因为,地球有自己的磁场,这一磁场迫使这些粒子向其他方向运动,保护着地球。同时,地球也对太阳的变化做出回应。但火星并没有地球这么幸运。在 2015 年一项研究中,科学家认为,就是太阳风将火星的大气层剥离。

一部分这些带电粒子能够进入地球磁层。它们将绕着磁场做螺旋运动。其中,阳离子往西缓慢漂流,阴离子往东漂流,形成环状电流。这一电流会减弱地表的磁场。在穿透电离层时,带电粒子会与那里的原子发生碰撞,从而产生极光并发出X光。因此,极光也是一种空间天气的物理现象。

极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气(>80km)时,与大气中的原子和分子碰撞并激发,能量释放产生的光芒形成围绕着磁极的大圆圈,即极光。

极光也会发生在其它行星上,与地球一样,它们也出现在行星磁极的附近。木星和土星这两颗行星都有比地球更强的磁场,而且两者也都有强大的辐射带。哈伯太空望远镜可以很清楚的看见这两颗行星的极光。

在金星和火星上也曾观测到极光。因为金星没有内在(行星本身)的磁场,金星的极光呈现不同的形状和强度,看起来是明亮但弥漫的补丁,有时会分布在整个行星的盘面。

141148152_17_20180812051346928.jpg 

| 地球上的极光(图源:Wikipedia)

太阳风的分布会影响地球的磁场,同时将能量泵入辐射带。空间天气可影响卫星的轨道,并降低卫星的寿命。空间天气也会导致地球磁场的震动,这将导致大面积电力设备毁坏。

科学家想了解太阳风如何形成如何变化以及这些变化如何影响地球。而本次的任务对日-地之间联系十分重要。任务将收集一些对理解和预测空间天气极为重要的数据。这将推动太阳圈、地球和其他行星极光和磁层的基础物理学研究,以及帮助提高卫星通讯、电网问题、管道腐蚀、航空航线辐射暴露及宇航员安全等研究。

而以上这些太阳的谜题都将随着Parker为我们带回珍贵的极近距离太阳探测数据而得到解答的可能。 Parker 的任务结束日期是2025年6月,按照科学家的计划,它将在任务结束之后坠向太阳,被分解成越来越小的碎片,并成为宇宙尘埃的一部分。

分享到:
换一个