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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NASA的帕克太陽探測器在2018年8月12日從弗羅裡達州成功發射,它靠近太陽時的最快速度達到70公里每秒這打破了人造物體飛行記錄,同時它距離太陽最近的時候僅千萬公里左右。



我們都知道太陽內部進行著核聚變不斷的在釋放能量,太陽表面溫度可以達到6000攝氏度,而太陽大氣最外層日冕的溫度可以達到上百萬攝氏度,而帕克太陽探測器所處的位置就是日冕層它是如何防止被融化的?

人類目前已知熔點最高的物質就是“五碳化四鉭鉿”(Ta4HfC5),熔點超過4000攝氏度,但實際上帕克太陽探測器雖然處於上百萬攝氏度的高溫中但是“體感”溫度卻僅僅是一千多攝氏度。其實溫度和熱量完全是兩種概念。


  1. 日冕層的物質密度非常低,導熱的粒子非常少,NASA計算的結果顯示探測器進入日冕層後,面向太陽的一側僅會被加熱到1400攝氏度左右,對航天器的影響沒有想象中的那麼大,這就像是100攝氏度的水蒸氣和100攝氏度的水人接收到的熱量是不一樣的;
  2. 帕克探測器在面向太陽的一側裝有防熱罩,厚度達11.4cm。由輕質的碳複合泡沫製作而成,表面塗著白色陶瓷塗料,儘可能地反射太陽光。實際上帕克太陽探測器內部的工作溫度大約會維持在30攝氏度左右;


  3. 特殊設備採用熔點極高的合金製成;
  4. 探測器外部安裝多個敏感的探測器,時刻進行反饋與自我姿態糾正,讓大多數的設備都“藏”在防熱罩後邊。
以上就是帕克太陽探測器不懼怕日冕層上百萬攝氏度高溫的原因了。


科學黑洞


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


NASA在去年向太陽發射了一艘探測器——帕克,為了進入太陽的大氣層,這艘探測器必須穿越一個叫日冕的地方。日冕是太陽大氣層的最外層,它的溫度達到了近100萬攝氏度,要知道太陽的表面溫度才6000攝氏度左右,要進入日冕層,帕克如何防止自己不被高溫融化呢?



這裡就要說說溫度與熱量的關係了,粒子運動的越劇烈,它的溫度越高,但是如果粒子很少的話,它們所傳遞的能量也不會太多,在太空中,粒子密度其實是很低的,包括日冕層也是如此,只有很少的粒子能碰到探測器,並將能量傳遞給他。


因此,雖然日冕層中溫度很高,但帕克面向太陽的隔熱板表面,只會被加熱到1400攝氏度左右,遠遠低於太陽表面溫度,帕克太陽探測器就就具備了最新的隔熱保護裝置,被稱為熱保護系統,這個防護罩的性能特別強悍,在迎面1400攝氏度的情況下,其另一測只有30攝氏度左右,而防護罩最多可惜承受1650攝氏度的高溫,可以處理太陽發出的任何熱量,幾乎能保證所有儀器的安全。


河北薛之謙


一頭扎進太陽,那是灰都沒有了。被中國天文愛好者稱為“現代夸父”的“帕克”太陽探測器雖然進入了日冕層,但並沒有扎進太陽中,距離太陽還有1/3太陽半徑之遠。


帕克太陽探測器


2018年8月12日下午3點31分,NASA發射了以“芝加哥天文與天體物理系教授、太陽風科學先驅尤金.帕克”命名的“帕克”太陽探測器,是人類史上第一個穿越太陽日冕對太陽進行近距離觀測的探測器,距離太陽表面只有1/3太陽半徑。


“帕克”太陽探測器重有646kg,造價近15億美元。由碳複合材料製作的11.4cm厚的隔熱盾,能讓探測器在1400℃左右的高溫下仍不被融化,只保持略高於室溫。另外探測器上有自主控制軟件可保證高溫敏感器不會由於太熱而出現故障,溫控系統的鉑電阻溫度計為避免故障率太高,特新增了冗餘配置。

這些特殊材料與設置能確保“帕克太陽探測器”在太陽日冕層1300~1400℃左右的高溫下不被融化,正常執行太陽探測任務

“帕克”的裝置與探測任務

“帕克”裝置有太陽風電子、阿爾法粒子調查,用以測定太陽風電子、質子、氦離子等的特性;裝置的太陽風寬視場成像儀用以探測太陽風、日冕、周圍激波及三維成像;“電磁場調查”直接測量太陽等離子體的電場、磁場、無線電輻射等;還有“太陽綜合科學調查-高能粒子儀器”及“太陽日球層起源”都將是人類科學史上最先進與完備的太陽探測器。

“帕克太陽探測器”將會近距離的對太陽進行最深入、最全面的探測。


弄潮科學


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2400萬公里(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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艾伯史密斯


感謝提問,帕克太陽探測器之所以能夠成為有史以來最成功接近太陽的人造天體和史上最快的人造物體,而沒有被太陽表面的高溫毀壞,究其原因是得益於現代科技的發展,說白了就是將組成帕克太陽探測器的各種耐熱材料(零部件)與隔熱裝置和散熱系統以及太陽外圍低密度粒子環境有機結合起來的。

並且,在帕克太陽探測器發射之前,科學家都會對其進行大量的模擬測試,以便能夠得到一系列數據對其性能加以改善,從而能夠更有效的避免探測器直接受到太陽高溫的炙烤,畢竟該探測器總造價高達約15億美元(約合100多以億元人民幣)不是一個兒戲。下面我們一起來詳細瞭解一下。

北京時間8月12日下午15時31分,NASA“帕克號”太陽探測器由德爾塔IV型重型火箭搭載升空,由此開啟了帕克號太陽探測器長達7年的觀測任務,其主要任務是探測太陽活動形成的等離子體、磁場、以及高能粒子等,將為研究太陽活動對地球的影響以及預報太空天氣提供更多的幫助。

截止到2019年4月初,帕克太陽探測器已完成第二次以2400萬公里的距離靠近太陽的探測任務(上一次是2018年11月份),時速達72萬公里/小時,預計到2024年底這一距離將進一步縮小並且時速還將擴大,將會以時速80萬公里/小時的速度在距離太陽表面約616萬公里處展開觀測任務,這將意味著探測器要在日冕上層飛掠。

我們都知道,太陽表面溫度高達5770K(約5496.85℃左右),很顯然這個溫度已經相當於鋼鐵廠高溫爐2000攝氏度的約3倍,而且日冕的溫度更是高達100萬攝氏度,厚度也可達數百萬公里,這樣的環境對於帕克太陽探測器而言無疑是極為嚴苛的。

但是科學家們已經做好了充分的準備,他們為帕克太陽探測器打造了一個1.4米厚、直徑約2.4米的碳纖維護盾作為屏障(隔熱罩),這就使得儘管探測器表面會受到高溫的炙烤,但內部的的溫度僅僅只有約29度,基本上相當於室溫環境。

而且雖然太陽表面(包括日冕層)溫度極高,但是粒子數密度僅為每立方米1萬萬億個(科學計數法1E+16),還不到空氣的百億分之一,帕克太陽探測器在這樣的環境中運行,這就好比徒手揭鍋蓋,雖然水蒸氣的溫度也很高,但只要速度夠快就不會燙手,況且“帕克號”的時速高達70多萬公里,因此溫度也不會被烤得過高。

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地理那些事


美國宇航局帕克太陽探測器任務於4月4日完成了第二次接近太陽的任務,這次被稱為近日點的任務距離太陽表面2400萬公里,這大約和宇宙飛船飛達的距離是一樣的。2帕克太陽探測器兩次接近的任務都打破了先前的記錄,之前記錄是由1976年的赫利奧斯2號任務創造的,因為它是當時最接近太陽的航天器。



帕克探測器在任務期間將繼續打破自己的記錄,無論是飛越速度還是靠近的距離,在帕克太陽探測器第25次飛越任務,也就是最後一次飛越任務的時候,帕克太陽探測器將在離恆星表面600萬公里的地方飛行,這個地方已經可以受到太陽風的強烈影響……

那麼帕克太陽探測器是如何抵受住這麼高的溫度呢?帕克太陽探測器擁有一個熱屏蔽系統,熱屏蔽系統包括一個直徑為2.4米,厚度可達115毫米的熱屏蔽遮罩,在熱屏蔽系統的另一邊,帕克太陽探測器的主體將處於一個非常合適工作的環境,也就是35攝氏度左右。這個遮罩可以抵禦1650攝氏度的直射溫度,而科學家預估帕克太陽探測器在距離最近的時候是1300攝氏度左右,所以不用擔心。帕克太陽探測器任務小組還利用藍寶石晶體管來製作電線,並配合了鈮來製造其他線纜。所以電路問題帕克太陽探測器也不用擔心



宇宙與科學


在咱們中國古代有個夸父追日的神話故事。上古時期,太陽烤乾了大地,老百姓飽受乾旱之苦,有個叫夸父的巨人打算打算把太陽摘下來,解救老百姓。太陽聽到了感到害怕就在天上拼命的逃,夸父就在地上拼命的追。最終夸父沒能追上太陽累死在了追逐太陽的路上。

問題中提到的現代夸父指的是美國宇航局於2018年8月12日發射的帕克探測器。帕克太陽探測器可沒有一頭扎進太陽。太陽的表面溫度高達5500℃,如果帕克太陽探測器一頭扎進太陽,恐怕早就汽化的無影無蹤了。帕克探測器是第一個飛入太陽日冕層的飛行器。它距離太陽表面最近的時候可達到600萬公里。帕克探測器敢如此近距離的直面太陽已經是非常了不起了。

太陽的日冕層可是一個非常恐怖的地方。日冕層是太陽大氣層的最外層,太陽日冕層的溫度非常的高,可達200萬攝氏度。這讓人覺得非常的不可思議。距離太陽最遠的日冕層的溫度竟然遠遠高於太陽表面的溫度。為什麼會這樣,現在的科學家還未找到合理的解釋。

帕克太陽探測器可以如此的靠近太陽而沒有被融化呢?原因就在於帕克太陽探測器處在一種特殊碳纖維材料製成的隔熱罩的保護下。隔熱罩的厚度為11.5釐米,可以讓帕克太陽探測器在環繞太陽的過程中承受1400攝氏度的高溫。在隔熱罩的保護下,帕克太陽探測器攜帶的儀器可以在大約30攝氏度的環境中安全工作。

現代夸父,帕克太陽探測器正是因為有了這層碳纖維隔熱保護罩的保護才能如此的靠近太陽。




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兔斯基聊科學


在百萬度高溫的日冕層中運行的帕克太陽探測器為何沒被融化?

帕克探測器是有史以來人類最靠近太陽的探測器,它是第一個軌道切入日冕層的太陽探測器,近日點距離太陽表面約4.5個太陽直徑處!在數百萬度的高溫的日冕層中穿行,帕克探測器為何能浴火而行,它有哪些過人之處,我們來簡單瞭解下!

一、太陽的最高溫度在哪裡?

很明顯太陽的最高溫度在其內核處,那裡有超過2500億個大氣壓和1500萬攝氏度的溫度,但這與帕克探測器無關,因為它不經過太陽內核!但帕克探測器經過太陽日冕層,在距離太陽表面約616萬千米的位置經過,而日冕層卻是太陽外層反常高溫的最高區域,此處溫度高達100萬度,當然這比內核的1500萬度低多了,但比太陽表面5500度左右那是高出幾個數量級!

儘管我們對日冕層的反常高溫加熱機制仍然不太明確,但主流認為波動加熱機制(太陽光球層附近的湍流運動驅動磁力線擾動)和磁場重聯加熱!不過新論認為磁場梯度抽運機制加熱日冕也許比較重要的一種方式!

磁場梯度抽運機制加熱日冕

當然日冕層為什麼那麼熱並不是本文的關鍵,主要我們是瞭解下日冕層真的很熱,超過百萬度!

二、帕克探測器的隔熱罩能抗多少度高溫?

很明顯帕克探測器那個白色喇叭口就是絕熱罩的位置,它重達73KG!它由最新研製超級耐高溫的兩塊過熱碳-碳複合材料,再組合以11CM厚的泡沫碳夾層!使得帕克探測器的耐高溫程度達到了史無前例的1650℃。

這就帕克探測器中最關鍵的耐熱材料:過熱碳-碳複合材料

三、為何耐熱1000多度帕克保護傘能防住日冕層百萬度高溫?

在百萬度高溫的日冕層中穿行的帕克探測器罩子僅僅能抵禦1650℃的高溫,但為何帕克探測器平安無事?其實在這裡我們必須要了解一個事實是熱量與溫度的區別,儘管日冕層的百萬度高溫,但它的物質密度卻很低,最終給防護罩加熱的溫度也就1377℃,躲在絕熱罩後的儀器設備環境溫度不會超過29℃!

四、帕克探測還有那些對抗高溫的措施?

除了上文中的隔熱罩以外,帕克探測器還有其他諸多措施保證在太陽的高溫下正常工作

1.捕捉帶電粒子以法拉第杯,材質是鈦鋯鉬合金,熔點約為2350攝氏度!

2.太陽能電池,在接近近日點時能摺疊收到絕熱罩背後!

3.探測器上的部分導線由金屬鈮製造!

帕克探測器的太陽之路

諸多措施下,會保證帕克探測器在壽命期內正常工作,而在任務完成以後,帕克探測器將以最高速度撞入太陽,以最為慘烈的方式結束它的使命!當然在接近日冕層底部過程中獲取數據是它最後的任務,當然現在還為時尚早!


星辰大海路上的種花家


不知道為什麼,我總覺得太陽不是我們科學家說的那樣,它一點也不熱,它只有在特定的條件下才能讓生物感覺到熱,它是一團能量,是“愛著”地球的一團能量。一團火熱的“愛”,炙熱卻並不是是我們說的那種物理的熱


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