Как тепловой экран Parker Solar Probe защищает его от пыли на солнце?

В этом ответе обсуждается выживание космического корабля Parker Solar Probe , проходящего на расстоянии 9 солнечных радиусов от поверхности Солнца. Использование оценок для апоцентра и перицентра 1.1 а в е н ты с , 10 р с ты н . Я получаю скорости около 11 000 и 190 000 м/с, используя уравнение vis-viva .

введите описание изображения здесь

выше: снимок экрана со страницы ES9 информационного бюллетеня Solar Probe Plus .

Теплозащита описана здесь :

Главной особенностью TPS является углеродно-углеродный пенопластовый экран диаметром 8 футов и толщиной 4,5 дюйма, который будет установлен на корпусе космического корабля Solar Probe Plus. Система защитит солнечный зонд Parker от температур, превышающих 2500 градусов по Фаренгейту, и от ударов высокоскоростных частиц пыли, когда он пролетает через внешнюю атмосферу Солнца.

На GIF ниже можно увидеть щит и зазор между щитом и корпусом космического корабля в форме кофеварки . Как описано в связанном ответе и здесь , «боковые панели» представляют собой радиаторы, которые помогают охлаждать заднюю часть экрана, а длинные ножки, соединяющие экран со спутником, имеют очень высокий тепловой импеданс для минимизации теплового потока.

В этом вопросе я спрашивал о происхождении пыли около Солнца. Если я правильно понимаю, пыль медленно падает на Солнце, потому что частицы определенного диапазона размеров испытывают тангенциальную тормозящую силу через эффект Пойнтинга Робертсона . Это связано с астрономической аберрацией - движение фотонов в поперечном направлении вызывает несколько повышенное радиационное давление на переднюю сторону частицы. Поскольку сила зависит от скорости, она больше в перицентре и, таким образом, имеет тенденцию к округлению орбит.

Мой вопрос таков: если тепловой экран обращен прямо к Солнцу, так что этот длинный узкий космический корабль может оставаться в тени, так что он «двигается боком» через это пылевое поле, то как этот экран « защищает космический корабль от ударов от сверхскоростных частиц пыли, летящих через внешнюю атмосферу Солнца? »

Существуют ли «сверхскоростные частицы пыли», исходящие прямо от Солнца? Солнечная сажа?

Этот вопрос дополнительно подчеркивается в этом абзаце из раздела 4.5.3 этого отчета за 2008 год :

Инструмент Coronal Dust устанавливается на панели –Y и смотрит в направлении ползуна, чтобы собрать максимальное количество ударов пыли.

редактировать: постоянное, медленное падение частиц/пыли приводит к более высокой концентрации вблизи солнца - разрушающаяся сферическая оболочка имеет все меньшую и меньшую площадь. Это облако исторически рассматривалось как источник Зодиактального Света . Размер большинства частиц составляет десятки или сотни микрон, и одна из теорий происхождения — столкновения астероидов или комет. Когда облако подходит слишком близко к Солнцу, частицы распадаются, и эта «дыра» в облаке называется короной солнечной пыли . В статье с красивым названием « Пыль возле солнца» можно прочесть гораздо больше .

введите описание изображения здесь

вверху: длинная выдержка из Паранала, показывающая зодиакальный свет — эта и более крупные версии доступны в Википедии .

Солнечный зонд плюс

вверху: GIF из шести снимков экрана, вырезанных из видео на YouTube, показанного отдельно ниже, из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. JHU APL разработала и будет строить и эксплуатировать космический корабль для НАСА .

Вы также можете увидеть детали сочленения солнечных панелей — обратите внимание, как они становятся все более затененными за щитом по мере того, как они убираются, пока только крошечная часть не остается сильно наклонно освещенной в невероятно интенсивном потоке света (и все остальное) от Солнце.

введите описание изображения здесь

выше: снимок экрана из информационного бюллетеня NASA Solar Probe Plus.

Можно предположить, что они исходят прямо от солнца. Это не имеет значения, когда скорость по касательной к солнцу будет такой высокой. Хм...
@PearsonArtPhoto Что на самом деле означает « можно предположить »? Знаете ли вы, что это происходит — частицы пыли действительно исходят прямо от солнца? Я никогда не слышал об этом. Или вы только предполагаете?
Имеет смысл, что основное направление будет прямо от Солнца. Вероятно, они будут находиться под каким-то углом, но, как я уже сказал, это не имеет особого значения, космический корабль движется достаточно быстро, так что направление почти не имеет значения.
@PearsonArtPhoto Это, безусловно, имеет большое значение! И кроме протонов и случайных атомов или ионов гелия, я никогда не слышал о частицах пыли, вылетающих из Солнца. Космический корабль будет двигаться намного быстрее, чем любая пыль на орбите, поскольку ожидается, что пыль будет в основном круглой, поэтому пыль должна ударять его сбоку, а не спереди. Основы орбитальной механики я изучил прямо здесь, в SXSE!
Я больше представляю себе что-то вроде солнечного ветра, скорость которого близка к скорости убегания, и, таким образом, он движется с гораздо большей скоростью, чем космический корабль.
@PearsonArtPhoto, этот вопрос касается пыли - частиц углерода и кремнезема размером от микрона до миллиметра. Если есть что-то подобное, выходящее из-под солнца, я очень удивлюсь!
@UIDAlexD PearsonAP часто предлагает действительно проницательные ответы - иногда такой разговор помогает выявить проблемы / информацию, которые я забыл указать в вопросе, а также выделить моменты, которые также помогают другим сформулировать ответы. Взгляните на эту удивительную жемчужину — я бы никогда не нашел WTFAQ самостоятельно!
Теплозащитный экран не предназначен для защиты от пыли, он должен защищать космический корабль от огромного излучения вблизи перигелия.
@honeste_vivere Хорошо, это объясняет. Вы говорите, что это просто ошибка на сайте Джона Хопкинса? Можете ли вы оставить это как ответ (первая часть, не обязательно часть об ошибке!)

Ответы (2)

@uhoh - Ошибка, нет. Плохая формулировка, возможно, да.

Похоже, что информационный бюллетень APL подразумевает, что теплозащитный экран Solar Probe Plus должен выдерживать экстремальные температуры, радиацию и воздействие пыли, иначе остальная часть космического корабля разрушится вблизи перигелия при максимальном сближении.

Если теплозащитный экран обращен прямо к Солнцу, так что этот длинный узкий космический корабль может оставаться в тени, так что он «двигается боком» через это пылевое поле, то как этот экран « защищает космический корабль от ударов высокоскоростных частиц пыли? он пролетает через внешнюю атмосферу Солнца »?

Дело не в том, что тепловой экран предназначен для защиты космического корабля от пыли, поскольку в перигелии его скорость, поперечная нормали к тепловому экрану (т. е. несколько сотен км/с по отношению к Солнцу), будет значительно превышать типичные ожидаемые скорости пыли (т. е. , несколько десятков км/с относительно Солнца). Другими словами, в раме космического корабля в перигелии траектория падающей пыли в основном будет проходить в сторону космического корабля, а не перпендикулярно поверхности теплозащитного экрана.

Тем не менее, пыль микронного размера, сталкивающаяся с чем-то на скорости в несколько сотен километров в секунду, даже под углом скольжения, нельзя игнорировать. Команды провели значительное моделирование, чтобы попытаться решить эту проблему, но распределение пыли внутри ~ 0,3 а.е. не очень хорошо известно.

Забавное примечание: прибор FIELDS планирует искать пыль, обнаруживая импульсы электрического поля, возникающие в результате плазменных облаков, создаваемых сталкивающейся частицей. Это было сделано раньше с такими миссиями, как Wind и STEREO (и некоторыми другими), и было обнаружено случайно.

Спасибо! Итак, учитывая предложение « Система защитит Solar Probe Plus от температур, превышающих 2500 градусов по Фаренгейту, и ударов высокоскоростных частиц пыли, когда он пролетает через внешнюю атмосферу Солнца» . не защитит ли его от высокоскоростных частиц пыли в сколько-нибудь значительной степени?

Тепловой экран (ТЗ) не предназначен для защиты космического корабля от ударов пыли. Утверждение не совсем точное и (по результатам недавнего поиска) кажется, что оно было удалено с сайта.

Как инженер в команде Parker Solar Probe, я участвовал в предварительном и критическом анализе проекта для миссии, который включал презентации по защите от пыли и TPS.

Исследования по защите от пыли оценивают потенциальное повреждение всех поверхностей космического корабля, включая TPS, но не отводят какой-либо уникальной роли какой-либо одной поверхности в качестве защитного устройства.

Требования к конструкции TPS сосредоточены на управлении тепловым режимом космического корабля; требования по защите остальных элементов КА от повреждения пылью отсутствуют.

Это было преувеличением и, кажется, было удалено.

Супер! Спасибо, что нашли время, чтобы добавить этот ответ. В Physics SE есть еще один вопрос без ответа, который может вас заинтересовать; Зонд Parker Solar Probe проходит очень близко к Солнцу; какие релятивистские эффекты он испытает и насколько велики они будут?
К сожалению, у меня нет базовых знаний или опыта, чтобы ответить на этот вопрос, но я знаю людей, у которых они есть! Если у меня будет возможность, я передам вопрос. Область, в которой это наиболее важно, — хронометраж космических кораблей, и у нас в команде есть очень знающий человек, который специализируется именно в этой области.
Как тепловой экран Parker Solar Probe защищает его от пыли на солнце?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v