現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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答:帕克太陽探測器使用一些技巧,隔離了來自太陽的熱量,雖然帕克探測器正對太陽的一面溫度很高,但是吸收到的能量並不高。


NASA在2018年8月發射的帕克太陽探測器,是人類最接近太陽的探測器,預計2019年4月4日再次接近太陽時,最近距離只有240萬公里(太陽直徑140萬公里),

太陽表面溫度高達5500℃,太陽活動激起的日冕,溫度更是高達100萬度,日冕能到達太陽表面幾百萬公里的高度,所以帕克太陽探測器在近日點時,幾乎就是橫掠過日冕,為了不讓探測器被高溫摧毀,研究人員需要採取一些特殊措施。


帕克太陽探測器所處環境,宇宙空間中粒子密度非常低,比如日冕的粒子密度大約是每立方米10^15個,只有空氣的100億分之一,即便溫度很高,低密度粒子在單位時間內傳遞給探測器的熱量是很少的,探測器外殼溫度上升並不快,只要及時移走熱量,就能保證外殼溫度在一定範圍內。

就好比在燒柴火時,火焰溫度高達500~600攝氏度,我們用手掠過火焰一點沒事,但是我們把手伸入100攝氏度的水中時,哪怕時間再短也會被燙傷,這是因為水中的粒子密度遠遠高於空氣,熱量傳遞非常快。


科學家在設計探測器時,也利用了一些巧妙措施,隔離來自太陽的熱量。

措施一:特殊的隔熱罩

帕克太陽探測器擁有碳複合外衣,表面可以承受1400℃的高溫輻射,這也是探測器在穿過100萬度的日冕時,所能達到的最高溫度;然後內部加上碳複合泡沫,可以把外層高溫進行隔離,使得航天器主設備處於30℃的條件下。

措施二:特殊合金

在帕克太陽探測器上,有兩個設備不受隔熱罩保護,一個是探測太陽能的法拉第杯,另外一個是測量帶電粒子通量和速度的傳感器。

其中法拉第杯就由鈦-鋯-鉬合金製成,本身熔點為2349攝氏度,然後還有一個產生電場保護法拉第杯的柵格由金屬鎢製成,熔點高達3422℃。

措施三:鈮制電線

由於擔心主設備的線纜因高溫融化,研究人員使用藍寶石水晶管來懸掛佈線,內部導線用金屬鈮製成,鈮是一種非常穩定的金屬材料,熔點高達2468攝氏度。

措施四:姿態調整

太陽能板能給探測器提供足夠的能源,在每次接近近日點時,探測器會精確控制太陽能板,使之收縮到隔熱罩後面,只留下一小部分暴露在太陽輻射之下。

而且太陽能板有著強大的液冷散熱系統,使得太陽能板處於10℃~125℃之間,這是太陽能板能承受的範圍。

為了保證探測器姿態始終和太陽同步,在探測器的特殊位置均布有傳感器,一旦傳感器感應到太陽光,中央處理器就會計算自身和太陽的相對位置,然後及時修正姿態,使所有主設備始終處於隔熱罩的保護之下。

在探測器發射前,科學家就在實驗室製造了和太陽附近相似的環境,以檢查探測器各個方向上承受的溫度;帕克太陽探測器的主要任務,是探測太陽風、太陽磁場、太陽高能粒子,以及日冕結構成像等等。


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一頭扎進太陽有些誇張了,帕克號太陽探測器只是進入太陽的日冕層內進行科學工作而已。

雖然日冕層是太陽的最外層大氣,但是它的溫度卻高達一百萬攝氏度以上,不過溫度和熱量卻不能劃等號,由於日冕內氣體密度非常稀薄,因此探測器隔熱罩只會被加熱到1400攝氏度左右,這完全在預計範圍之內。

帕克號探測器已於2018年8月成功發射,目前它已經成為人類有史以來最接近太陽的一個人造物。根據計劃,帕克號與太陽的最近距離將只有600萬公里左右,這個距離僅僅是太陽半徑的9倍左右,可以說是相當接近太陽了(如果按照日冕層來算的話,那麼就算是進入太陽裡面了)

但如此近的距離,而太陽日冕層內已經達到了百萬攝氏度以上,為何探測器不會被烤化呢?實際上這個道理簡單來講,就像你把手放在爐火邊,可以放個一兩分鐘,但叫你把手伸進開水,你可能連一秒都受不了。

溫度高僅僅代表了內部粒子的平均動能高,但接收熱量的大小還是看內部粒子密度的高低。而擁有極高溫度的太陽日冕層,它的密度確實驚人的低,只有每立方米2×10的負12次方千克,也就是每立方米內的物質質量只有0.002微克。

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賽先生科普


這玩意兒在日冕層飛,雖然日冕層溫度高達上百萬攝氏度,但是粒子密度低,真空空間大,熱傳遞效率低所以探測器外殼大約只會被加熱到1400攝氏度,採取隔熱和冷卻就沒什麼大問題了

熱傳遞效率打個比方,100度的水,手下去就變主題了,但是100度的空氣,就沒這麼熱了


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