Terwijl NASA's Parker Solar Probe-ruimtevaartuig eind 2018 zijn eerste historische ontmoeting met de corona van de zon begint - dichter bij onze ster vliegen dan enige andere missie in de geschiedenis - zal een revolutionair koelsysteem zijn zonnepanelen op topprestaties houden, zelfs in extreem vijandige omstandigheden.

Elk instrument en systeem aan boord van de Parker Solar Probe (met uitzondering van vier antennes en een speciale deeltjesdetector) wordt verborgen voor de zon achter een baanbrekend thermisch beveiligingssysteem, of TPS - een schild met een diameter van acht voet dat het ruimtevaartuig gebruikt om zichzelf te verdedigen tegen de intense hitte en energie van onze ster.

Elk systeem wordt beschermd, dat is, behalve de twee zonnepanelen die het ruimtevaartuig van stroom voorzien. Wanneer het ruimtevaartuig het dichtst bij de zon is, de zonnepanelen zullen 25 keer de zonne-energie ontvangen die ze zouden ontvangen in een baan om de aarde, en de temperatuur op de TPS zal meer dan 2 bereiken, 500 graden Fahrenheit. Het koelsysteem houdt de arrays op een nominale temperatuur van 320 °F (160 °C) of lager.

"Onze zonnepanelen gaan werken in een extreme omgeving waarin andere missies nog nooit eerder hebben gewerkt, " zei Mary Kae Lockwood, de systeemingenieur van het ruimtevaartuig voor Parker Solar Probe bij het Johns Hopkins Applied Physics Lab.

Nieuwe innovaties om het inferno te overleven

De uiterste randen van de zonnepanelen zijn naar boven gebogen, en wanneer het ruimtevaartuig het dichtst bij de zon is, deze kleine stukjes array zullen buiten de bescherming van de TPS worden uitgebreid om voldoende stroom te produceren voor de systemen van het ruimtevaartuig.

De ongelooflijke hitte van onze ster zou conventionele ruimtevaartuigarrays beschadigen. Dus, zoals vele andere technologische ontwikkelingen die speciaal voor deze missie zijn gemaakt, een eerste-van-zijn-soort actief gekoeld zonnepaneelsysteem werd ontwikkeld door APL, in samenwerking met United Technologies Aerospace Systems, die het koelsysteem vervaardigde, en SolAero-technologieën, die de zonnepanelen produceert.

"Dit is allemaal nieuw, " Lockwood zei over de innovaties met betrekking tot het actief gekoelde zonnepaneelsysteem. "NASA financierde een programma voor Parker Solar Probe dat de technologische ontwikkeling van de zonnepanelen en hun koelsysteem omvatte. We hebben nauw samengewerkt met onze partners bij UTAS en SolAero om deze nieuwe mogelijkheden te ontwikkelen, en we kwamen met een zeer effectief systeem."

Het Parker Solar Probe-koelsysteem heeft verschillende componenten:een verwarmde accumulatortank die het water vasthoudt tijdens de lancering ("Als er water in het systeem zat, het zou bevriezen, " zei Lockwood), pompen met twee snelheden en vier radiatoren gemaakt van titanium buizen en sportieve aluminium vinnen van slechts twee honderdste van een inch dik. Zoals met alle kracht op het ruimtevaartuig, het koelsysteem wordt aangedreven door de zonnepanelen - de arrays die het nodig heeft om koel te blijven om de werking ervan te garanderen. Bij nominale bedrijfscapaciteit, het systeem biedt 6, 000 watt koelvermogen - genoeg om een ​​gemiddelde woonkamer te koelen.

Enigszins verrassend, de gebruikte koelvloeistof is niets meer dan gewoon water onder druk - ongeveer vijf liter, gedeïoniseerd om mineralen te verwijderen die het systeem zouden kunnen besmetten of beschadigen. Analyse toonde aan dat tijdens de missie, de koelvloeistof zou moeten werken tussen 50 ° F en 257 ° F - en weinig vloeistoffen kunnen die bereiken aan zoals water. "Een deel van de financiering van NASA-technologiedemonstratie werd door APL en onze partners bij UTAS gebruikt om een ​​verscheidenheid aan koelvloeistoffen te onderzoeken, " zei Lockwood. "Maar voor het temperatuurbereik dat we nodig hadden, en voor de massabeperkingen, water was de oplossing." Het water komt onder druk te staan, die het kookpunt boven 257 ° F zal verhogen.

De zonnepanelen hebben hun eigen technische innovaties. "We hebben veel geleerd over de prestaties van zonnepanelen van het [door APL gebouwde] MESSENGER-ruimtevaartuig, die als eerste Mercurius bestudeerde, "zei Lockwood. "In het bijzonder, we leerden hoe we een paneel moesten ontwerpen dat degradatie door ultraviolet licht zou verminderen."

Het afdekglas bovenop de fotovoltaïsche cellen is standaard, maar de manier waarop de warmte van de cellen naar het substraat van het paneel wordt overgebracht, de plaat, is uniek. Er is een speciale keramische drager gemaakt en op de bodem van elke cel gesoldeerd, en vervolgens aan de plaat bevestigd met een speciaal gekozen thermisch geleidende lijm om de beste thermische geleiding in het systeem mogelijk te maken en tegelijkertijd de benodigde elektrische isolatie te bieden.

Van ijs tot vuur:lanceer uitdagingen

Terwijl de buitengewone hitte van de zon de meest intense uitdaging van het ruimtevaartuig zal zijn, de minuten onmiddellijk na de lancering zijn eigenlijk een van de meest kritische vroege prestatiesequenties van het ruimtevaartuig.

Wanneer Parker Solar Probe in de zomer van 2018 wordt gelanceerd aan boord van een ULA Delta IV Heavy-raket vanaf Cape Canaveral Air Force Station in Florida, het koelsysteem zal grote temperatuurschommelingen ondergaan. "Er moet veel gebeuren om ervoor te zorgen dat het water niet bevriest, ' zei Lockwood.

Eerst, De temperaturen van de zonnepanelen en radiatoren van het koelsysteem zullen dalen van die in de stroomlijnkap (ongeveer 60°F) tot temperaturen van –85°F tot –220°F voordat ze door de zon kunnen worden opgewarmd. De voorverwarmde koelvloeistoftank zorgt ervoor dat het water niet bevriest; de speciaal ontworpen radiatoren - ontworpen om hitte en intense temperaturen bij de zon af te weren - zullen ook deze bittere kou overleven, dankzij een nieuw lijmproces en ontwerpinnovaties.

Minder dan 60 minuten later, het ruimtevaartuig zal scheiden van het lanceervoertuig en beginnen met de post-scheidingsreeks. Het zal zichzelf roteren om naar de zon te wijzen; de zonnepanelen zullen loskomen uit hun lanceersloten; de arrays zullen roteren om naar de zon te wijzen; een grendelklep gaat open om het warme water in twee van de vier radiatoren en de zonnepanelen te laten stromen; de pomp gaat aan; het ruimtevaartuig zal terugdraaien naar een nominale aanwijsoriëntatie, het opwarmen van de twee koudste en niet-geactiveerde radiatoren; en de stroom van de gekoelde zonnepanelen begint de batterij op te laden.

In een andere eerste, deze complexe en kritieke reeks taken zal autonoom worden uitgevoerd door het ruimtevaartuig, zonder enige inbreng van mission control.

Het water voor de twee niet-geactiveerde radiatoren blijft de eerste 40 vliegdagen in de opslagtank; daarna, de laatste twee radiatoren worden geactiveerd.

"Een van de grootste uitdagingen bij het testen hiervan zijn die overgangen van erg koud naar erg heet in een korte tijd, ' zei Lockwood. 'Maar die tests, en andere tests om te laten zien hoe het systeem werkt onder een volledig verwarmde TPS, correleerde vrij goed met onze modellen."

Dankzij testen en modelleren, het team bestudeerde gegevens en verhoogde de thermische deken op de eerste twee radiatoren die werden geactiveerd, om een ​​evenwicht te vinden tussen het maximaliseren van hun capaciteit aan het einde van de missie, en het risico op bevriezing van water in het begin van de missie verder te verminderen.

Cool blijven, autonoom

Wanneer Parker Solar Probe met een snelheid van ongeveer 450 langs de zon raast, 000 mijl per uur, het zal 90 miljoen mijl verwijderd zijn van missiecontrollers op aarde - te ver voor het team om het ruimtevaartuig te "rijden". Dit betekent dat aanpassingen aan de manier waarop het ruimtevaartuig zichzelf beschermt met de TPS, moeten worden afgehandeld door de geleidings- en controlesystemen aan boord van Parker Solar Probe. Deze systemen maken gebruik van nieuwe en effectieve autonome software waarmee het ruimtevaartuig onmiddellijk van richting kan veranderen om de bescherming tegen de zon te maximaliseren. Dit autonome vermogen is van cruciaal belang voor de werking van de zonnepanelen van het ruimtevaartuig, die constant moet worden aangepast voor een optimale hoek terwijl de Parker Solar Probe door de harde, oververhitte corona.

"Tijdens zonne-ontmoetingen, zeer kleine veranderingen in de vleugelhoek van de zonne-array kunnen de benodigde koelcapaciteit enorm veranderen." Lockwood zei dat een verandering van één graad in de array-hoek van één vleugel 35 procent meer koelcapaciteit zou vereisen.

De constante uitdaging is om ervoor te zorgen dat het ruimtevaartuig en de arrays koel blijven.

"Er is geen manier om deze aanpassingen vanaf de grond te maken, wat betekent dat het zichzelf moet leiden, " zei Lockwood. "APL heeft een verscheidenheid aan systemen ontwikkeld, waaronder vleugelhoekregeling, begeleiding en controle, elektrisch stroomsysteem, luchtvaartelektronica, Foutbeheer, autonomie en vluchtsoftware - dat zijn cruciale onderdelen die werken met het zonne-array-koelsysteem."

Lockwood toegevoegd:"Dit ruimtevaartuig is waarschijnlijk een van de meest autonome systemen ooit gevlogen."

Die autonomie, samen met het nieuwe koelsysteem en baanbrekende upgrades voor zonnepanelen, zal cruciaal zijn om ervoor te zorgen dat Parker Solar Probe de nooit eerder mogelijke wetenschappelijke onderzoeken bij de zon kan uitvoeren die vragen zullen beantwoorden die wetenschappers hebben gehad over onze ster en zijn corona.