De revolutionerende teknologier, der driver og køler Parker Solar Probe

Da NASAs Parker Solar Probe-rumfartøj begynder sit første historiske møde med solens korona i slutningen af ​​2018 - flyver tættere på vores stjerne end nogen anden mission i historien - vil et revolutionært kølesystem holde sine solpaneler i toppræstation, selv under ekstremt fjendtlige forhold.

Hvert instrument og system ombord på Parker Solar Probe (med undtagelse af fire antenner og en speciel partikeldetektor) vil blive skjult for solen bag et gennembrud termisk beskyttelsessystem, eller TPS - et skjold på otte fod i diameter, som rumfartøjet bruger til at forsvare sig mod vores stjernes intense varme og energi.

Ethvert system vil være beskyttet, det er, bortset fra de to solpaneler, der driver rumfartøjet. Når rumfartøjet er tættest på solen, solpanelerne vil modtage 25 gange den solenergi, de ville, mens de kredser om Jorden, og temperaturen på TPS vil nå mere end 2, 500 grader Fahrenheit. Kølesystemet holder arrays ved en nominel temperatur på 320 ° F (160 ° C) eller derunder.

"Vores solpaneler kommer til at fungere i et ekstremt miljø, som andre missioner aldrig har opereret i før, " sagde Mary Kae Lockwood, rumfartøjets systemingeniør for Parker Solar Probe ved Johns Hopkins Applied Physics Lab.

Nye innovationer for at overleve infernoet

De yderste kanter af solpanelerne er bøjet opad, og når rumfartøjet er tættest på solen, disse små rækker af array vil blive forlænget ud over beskyttelsen af ​​TPS for at producere nok strøm til rumfartøjets systemer.

Den utrolige varme fra vores stjerne ville skade konventionelle rumfartøjer. Så, ligesom mange andre teknologiske fremskridt skabt specielt til denne mission, et første af sin slags aktivt afkølet solcelleanlægssystem blev udviklet af APL, i samarbejde med United Technologies Aerospace Systems, som fremstillede kølesystemet, og SolAero Technologies, som producerer solpanelerne.

"Dette er helt nyt, "Lockwood sagde om innovationer relateret til det aktivt afkølede solsystem." NASA finansierede et program for Parker Solar Probe, der omfattede teknologiudvikling af solcelleanlæggene og deres kølesystem. Vi arbejdede tæt sammen med vores partnere hos UTAS og SolAero for at udvikle disse nye muligheder, og vi kom frem til et meget effektivt system."

Parker Solar Probe-kølesystemet har flere komponenter:en opvarmet akkumulatortank, der holder vandet under opsendelsen ("Hvis der var vand i systemet, det ville fryse, " sagde Lockwood); to-gears pumper; og fire radiatorer lavet af titanium rør og sportslige aluminium finner kun to hundrededele af en tomme tykke. Som med al magt på rumfartøjet, kølesystemet er drevet af solcellepanelerne - netop de arrays, det har brug for for at holde det køligt for at sikre dets drift. Ved nominel driftskapacitet, systemet giver 6, 000 watt kølekapacitet - nok til at køle en stue af gennemsnitlig størrelse.

Lidt overraskende, den anvendte kølevæske er intet andet end almindeligt trykvand - cirka fem liter, deioniseret for at fjerne mineraler, der kan forurene eller skade systemet. Analyse viste, at under missionen, kølevæsken skal fungere mellem 50 ° F og 257 ° F - og få væsker kan klare disse områder som vand. "En del af NASA-teknologiens demonstrationsfinansiering blev brugt af APL og vores partnere på UTAS til at undersøge en række forskellige kølemidler, " sagde Lockwood. "Men for det temperaturområde, vi havde brug for, og for massebegrænsningerne, vand var løsningen." Vandet vil blive sat under tryk, hvilket vil hæve dets kogepunkt til over 257°F.

Solsystemerne har deres egne tekniske innovationer. "Vi lærte meget om solpanelets ydeevne fra det [APL-byggede] MESSENGER rumfartøj, som var den første til at studere Merkur, sagde Lockwood. Især, vi lærte, hvordan man designer et panel, der ville afbøde nedbrydning fra ultraviolet lys."

Dækglasset oven på solcellecellerne er standard, men den måde, hvorpå varmen overføres fra cellerne til panelets substrat, pladen, er unik. En speciel keramisk bærer blev skabt og loddet til bunden af ​​hver celle, og derefter fastgjort til pladen med et specielt valgt termisk ledende klæbemiddel for at tillade den bedste termiske ledning ind i systemet, samtidig med at den nødvendige elektriske isolering tilvejebringes.

Fra is til ild:Start udfordringer

Mens den ekstraordinære varme fra solen vil være rumfartøjets mest intense udfordring, minutterne umiddelbart efter opsendelsen er faktisk en af ​​rumfartøjets mest kritiske tidlige præstationssekvenser.

Da Parker Solar Probe opsendes om bord på en ULA Delta IV Heavy raket fra Cape Canaveral Air Force Station i Florida i sommeren 2018, kølesystemet vil gennemgå store temperaturudsving. "Der er meget at gøre for at sikre, at vandet ikke fryser, " sagde Lockwood.

Først, Temperaturerne på solpanelerne og kølesystemets radiatorer vil falde fra temperaturerne i kåben (ca. 60°F) til temperaturer fra –85°F til –220°F, før de kan opvarmes af solen. Den forvarmede kølemiddeltank holder vandet fra at fryse; de specialdesignede radiatorer – designet til at afvise varme og intense temperaturer ved solen – vil også overleve denne bitre kulde, takket være en ny bindingsproces og designinnovationer.

Mindre end 60 minutter senere, rumfartøjet vil adskilles fra løfteraketten og begynde sekvensen efter adskillelse. Den vil rotere sig selv for at pege mod solen; solpanelerne vil frigøres fra deres affyringslåse; arrays vil rotere for at pege på solen; en låseventil åbnes for at frigive det varme vand i to af de fire radiatorer og solarrayerne; pumpen tændes; rumfartøjet vil rotere tilbage til en nominel pegende orientering, opvarmning af de to koldeste og uaktiverede radiatorer; og strøm fra de afkølede solpaneler begynder at genoplade batteriet.

I en anden først, denne komplekse og kritiske række af opgaver vil blive fuldført autonomt af rumfartøjet, uden input fra missionskontrol.

Vandet til de to uaktiverede radiatorer forbliver i lagertanken i de første 40 dages flyvning; efter det, de sidste to radiatorer aktiveres.

"En af de største udfordringer ved at teste dette er de overgange fra meget koldt til meget varmt på kort tid, " sagde Lockwood. "Men de tests, og andre tests for at vise, hvordan systemet fungerer under en fuldt opvarmet TPS, korrelerede ret godt til vores modeller."

Takket være test og modellering, holdet undersøgte data og øgede den termiske dækning på de to første radiatorer, der skulle aktiveres, for at balancere maksimering af deres kapacitet ved missionens afslutning, og yderligere reducere risikoen for, at vand fryser tidligt i missionen.

Holder køligt, autonomt

Når Parker Solar Probe suser forbi solen ved omkring 450, 000 miles i timen, det vil være 90 millioner miles fra missionscontrollere på Jorden – for langt for holdet til at "drive" rumfartøjet. Det betyder, at justeringer af, hvordan rumfartøjet beskytter sig selv med TPS, skal håndteres af Parker Solar Probes indbyggede vejlednings- og kontrolsystemer. Disse systemer bruger ny og effektiv autonom software til at rumfartøjet øjeblikkeligt kan ændre sit pegefelt for at maksimere beskyttelsen mod solen. Denne autonome evne er kritisk for driften af ​​rumfartøjets solarrays, som konstant skal justeres for optimal vinkel, når Parker Solar Probe suser gennem solens barske, overophedet corona.

"Under solmøder, meget små ændringer i vingevinklen på solpanelet kan i høj grad ændre den nødvendige kølekapacitet." Lockwood sagde, at en ændring på én grad i vinklen på en vinge ville kræve 35 procent mere kølekapacitet.

Den konstante udfordring er at sikre, at rumfartøjet og arrays forbliver kølige.

"Der er ingen måde at foretage disse justeringer fra jorden, hvilket betyder, at den skal guide sig selv, " sagde Lockwood. "APL udviklede en række forskellige systemer - inklusive vingevinkelkontrol, vejledning og kontrol, elektrisk strømsystem, luftfart, fejlhåndtering, autonomi og flyvesoftware - det er kritiske dele, der arbejder med solsystemets kølesystem. "

Tilføjet Lockwood:"Dette rumfartøj er sandsynligvis et af de mest autonome systemer, der nogensinde er fløjet."

Den autonomi, sammen med det nye kølesystem og banebrydende solcelleopgraderinger, vil være afgørende for at sikre, at Parker Solar Probe kan udføre de aldrig før mulige videnskabelige undersøgelser ved solen, som vil besvare spørgsmål, forskerne har haft om vores stjerne og dens korona.