Солнечный зонд "Паркер" - миссия выполнима?

12 августа 2018 года состоялся запуск солнечного зонда NASA Parker; ракета-носитель Delta IV Heavy, стартовавшая с мыса Канаверал  успешно вывела зонд на траекторию межпланетного перелета.

Путешествие зонда «Паркер» к Солнцу займет семь лет; в 2025 году, облетев вокруг звезды 24 раза, зонд должен достигнуть своей цели и приблизиться к ней на шесть миллионов километров. Ближе к Солнцу не подходил ни один рукотворный объект (предыдущий рекорд сближения принадлежит аппарату Helios-B, запущенному и работавшему в 80-е — его от Солнца отделяло 43,432 млн. км).

Зонд «Паркер», названный в честь астрофизика Юджина Паркера, предсказавшего существование солнечного ветра, строили десять лет. Его главная задача — ответить на вопросы ученых о механизме нагрева солнечной короны. зонд также измерит колебания напряженности магнитного поля вблизи Солнца, интенсивности излучения, температуру, и состав и плотность солнечного ветра. От излучения звезды зонд защитит щит из углеродной пены.

Если бы Земля была на одном конце метровой палки, а Солнце на другом, солнечный зонд подойдет на десять сантиметров к поверхности звезды. Оказавшись в этой части солнечной атмосфере, известной как корона, Parker Solar Probe предоставит беспрецедентные наблюдения того, что управляет всеми этими частицами, энергией и теплом, курсирующими в короне, и запускает это через всю Солнечную систему, далеко за пределы Нептуна.

В короне, конечно, невообразимо жарко. Космический аппарат будет путешествовать через материал с температурой более миллиона градусов по Фаренгейту под непрерывной бомбардировкой интенсивного солнечного света.

Почему же Parker Solar Probe не расплавится?

Чтобы понять, что поддерживает космический аппарат и его инструменты в безопасности, нужно понять концепцию отношений тепла и температуры. Дело в том, что высокие температуры не всегда переходят в фактическое нагревание другого объекта.

В космосе температура может быть тысячи градусов, но конкретный объект не будет нагреваться, жары не почувствуется. Почему? Температура определяется скоростью движения частиц, тогда как тепло измеряется общим количеством энергии, которую они переносят. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их будет немного, то и энергии будет немного (мало тепла). Поскольку космос по большей части пустой, очень немногие частицы могут передать энергию аппарату.

Корона, через которую летит зонд «Паркер», например, обладает чрезвычайно высокой температурой, но очень низкой плотностью. Подумайте о разнице между тем, как засунуть руку в горячую духовку и засунуть ее в кастрюлю с кипящей водой (только не делайте этого) — в печи ваша рука может выдержать гораздо более высокую температуру на протяжении длительного времени, чем в воде, где ей придется взаимодействовать с огромным количеством частиц. Аналогичным образом, если сравнивать с видимой поверхностью Солнца, корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействут с меньшим количество горячих частиц и сильно не нагревается.

Это значит, что хотя «Паркер» будет двигаться через космос при температурах в несколько миллионов градусов, поверхность теплового щита, которая направлена на Солнце, будет нагреваться всего до 2500 градусов по Фаренгейту (это 1400 градусов по Цельсию).

Защитный щит

Конечно, несколько тысяч градусов — это все еще фантастически горячо. (Для сравнения, лава от вулканического извержения может быть температурой от 700 до 1200 градусов). И чтобы выдержать это тепло, зонду «Паркер» нужен тепловой щит под названием Thermal Protection System (TPS), 2,4 метра в диаметре и 115 миллиметров толщиной. Эти несколько дюймов защиты означают, что только одна сторона щита, где находится корпус аппарата, будет в комфортной температуре 30 градусов.

Возле солнца в прохладе

Несколько других конструкций на космическом аппарата поддерживают Parker Solar Probe защищенным от тепла. Без защиты солнечные панели — которые используют энергию самой звезды для питания аппарата — могут перегреться. По мере приближения к солнцу, солнечный массив прячется в тень теплового щита, оставляя лишь небольшой сегмент открытым интенсивным лучам солнца.

Но чем ближе к солнцу, тем больше нужно защиты. Массив батарей оснащен удивительно простой системой охлаждения: тепловой бак, который не дает хладагенту замерзнуть во время запуска, два радиатора, которые не дают хладагенту замерзнуть, алюминиевые лопасти для максимизации поверхности охлаждения, насосы для циркуляции хладагента. Система охлаждения достаточно мощная, чтобы охладить небольшую комнату, и будет поддерживать массив солнечных батарей и инструменты холодными и функционирующими даже в тепле Солнца.

Другая проблема с защитой любого космического аппарата — выяснить, как с ним общаться. «Паркер» будет по большей части предоставлен сам себе. Для сообщения с Землей свету нужно восемь минут — поэтому инженеры не смогут контролировать аппарат с Земли, если что-то пойдет не так.

Таким образом, космический аппарат должен автономно поддерживать себя в безопасности на пути к солнцу. Несколько датчиков, размером с половину мобильного телефона, будут крепиться к телу космического аппарата по краю тени от теплового экрана. Если какой-либо из этих датчиков обнаружит солнечный свет, он предупредит центральный компьютер и космический аппарат исправит свое положение, чтобы защитить датчики и остальные инструменты. Все это должно произойти без вмешательства человека, поэтому программное обеспечение будет тщательно проверяться, чтобы вносить все корректировки на лету.

Запуск к Солнцу

29 октября 2018 года НАСА сообщило, что зонд Паркер подошёл к Солнцу на рекордное расстояние и побил достижение, установленное аппаратом «Гелиос» в 1976 году. Помимо этого, Паркер развил и рекордную скорость относительно Солнца. Ранее эти рекорды составляли 42,73 млн км и 246 960 км/ч соответственно.

5 ноября 2018 года зонд достиг перигелия, где расстояние до Солнца составило 15 млн км, а рекордная скорость более 343 000 км/ч (более 95 км/с).

Специалисты NASA уверяют, что миссия «произведет революцию в представлении человека о процессах, протекающих на Солнце». Кроме того, полученная станцией информация будет иметь огромную ценность для подготовки пилотируемых полетов за пределы Земли.

В течение семи лет запланированной продолжительности полета космический аппарат обогнет звезду по орбите 24 раза. При каждом круге он будет приближаться к Солнцу и собирать образцы солнечного ветра, изучать корону и служить глазами для наших ученых.