現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

5 個回答
科学黑洞
2019-03-14

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。
現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。
現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

  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;
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  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。

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艾伯史密斯
2019-03-13

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),

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。

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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。

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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。

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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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星辰大海路上的种花家
2019-03-14

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!

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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!

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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!

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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?

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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℃。現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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?

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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?

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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!

現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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!

赛先生科普
2019-03-07

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。現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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)現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。現代夸父,一頭扎進太陽,為何帕克太陽探測器沒被融化?

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。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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满庭霜
2019-03-07

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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