随着宇航局派克太阳探测器太空船于2018年末开始与太阳日冕的第一次历史性相遇 - 比历史上任何其他任务更接近我们的恒星 - 革命性的冷却系统将使其太阳能电池阵列保持最佳性能，即使是极端恶劣的条件。
派克太阳能探测器上的每个仪器和系统(除了四个天线和一个特殊的粒子探测器)都将在突破性的热保护系统(TPS)后面隐藏在太阳下 - 这是一个8英尺直径的屏障，航天器使用保护自己抵御我们明星的强烈热量和能量。
每个系统都将受到保护，即除了为航天器提供动力的两个太阳能电池阵列外。当航天器最接近太阳时，太阳能电池阵列将接收25倍于绕地球运行的太阳能，而TPS的温度将达到超过2,500°F(1,370°C)。冷却系统将阵列保持在320°F(160°C)或更低的标称温度。
“我们的太阳能电池阵列将在其他任务以前从未运行的极端环境中运行，”约翰霍普金斯应用物理实验室的帕克太阳探测器航天器系统工程师Mary Kae Lockwood表示。
生存地狱的新创新
太阳能电池阵列的最外边缘向上弯曲，当航天器最靠近太阳时，这些小阵列的阵列将延伸到TPS的保护之外，以便为航天器的系统产生足够的能量。
我们恒星令人难以置信的热量会损坏传统的航天器阵列。因此，就像为此任务创造的许多其他技术进步一样，APL与康涅狄格州温莎洛克斯的联合技术航空航天系统公司(UTAS)合作开发了一种首创的主动冷却太阳能电池阵列系统。冷却系统)和新墨西哥州阿尔伯克基的SolAero Technologies(生产太阳能电池阵列)。
“这是全新的，”洛克伍德谈到了与主动冷却太阳能电池阵系统相关的创新。“宇航局资助了派克太阳能探测器项目，其中包括太阳能电池阵列及其冷却系统的技术开发。我们与UTAS和SolAero的合作伙伴密切合作开发这些新功能，我们提出了一个非常有效的系统。”
派克太阳能探测器冷却系统有几个部件：一个加热的蓄水池，可以在发射过程中保持水(“如果水在系统中，它会冻结，”洛克伍德说); 双速泵; 四个散热器由钛管制成(不会腐蚀)和铝制散热片只有百分之二英寸厚。与航天器上的所有动力一样，冷却系统由太阳能电池阵列供电 - 它需要保持冷却以确保其运行。在标称工作容量下，该系统提供6,000瓦的冷却能力 - 足以冷却平均大小的起居室。
有点令人惊讶的是，使用的冷却剂只不过是常规加压水 - 大约5升，去离子去除可能污染或损害系统的矿物质。分析表明，在任务期间，冷却剂需要在50°F(10°C)和257°F(125°C)之间运行 - 很少有液体可以处理像水这样的范围。“宇航局和我们在UTAS的合作伙伴使用NASA技术示范资金的一部分来调查各种冷却剂，”洛克伍德说。“但对于我们所需的温度范围，以及质量限制，水是解决方案。” 水将被加压，这将使其沸点升至257°F以上。
太阳能电池阵列具有自己的技术创新。“我们从[APL建造的] MESSENGER太空船中学到了很多关于太阳能电池阵列性能的知识，这是第一个研究水星的太空船，”洛克伍德说。“特别是，我们学会了如何设计一种可以减轻紫外线降解的面板。”
光伏电池顶部的盖玻片是标准的，但是热量从电池传递到面板基板(压板)的方式是独特的。创建一个特殊的陶瓷载体并焊接到每个电池的底部，然后使用特别选择的导热粘合剂连接到压板上，以便在提供所需电绝缘的同时实现最佳的热传导。
从冰到火：发起挑战
虽然太阳的非凡热量将是航天器最激烈的挑战，但发射后的几分钟实际上是航天器最关键的早期性能序列之一。
当帕克太阳能探测器于2018年夏季从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射ULA Delta IV重型火箭时，冷却系统将经历宽温度波动。洛克伍德说：“要确保水不会冻结，还有很多工作要做。”
首先，太阳能电池板和冷却系统散热器的温度将从整流罩(约60°F或15°C)的温度下降到-85°F到-220°F(-65°C到-140°C)的温度范围内。 °C)它们可以被太阳温暖。预热的冷却液箱可防止水冻结; 由于采用了新的粘接工艺和设计创新，专门设计的散热器 - 旨在抵御太阳下的高温和高温 - 也将在这种严寒中度过难关。
不到60分钟后，航天器将与运载火箭分离并开始分离后序列。它将自己旋转指向太阳; 太阳能电池阵将从发射锁中释放; 阵列将旋转指向太阳; 一个锁阀将打开，将温水释放到四个散热器和太阳能电池阵列中的两个; 泵将打开; 航天器将旋转回标称指向方向，使两个最冷和未激活的散热器升温; 来自冷却的太阳能电池阵列的电力将开始为电池充电。
另一方面，这一复杂而关键的任务系列将由航天器自主完成，无需任务控制的任何输入。
两个未激活的散热器的水将在飞行的前40天保留在储罐中; 之后，最后两个散热器将被激活。
“测试这个问题的最大挑战之一是在短时间内从非常冷到非常热的过渡，”洛克伍德说。“但是这些测试和其他测试表明系统在完全加热的TPS下如何工作，与我们的模型相关性很好。”
由于测试和建模，该团队研究了数据并增加了前两个散热器的热量覆盖，以便在任务结束时最大限度地提高其容量，并进一步降低任务早期水冻结的风险。
保持冷静，自主
当帕克太阳探测器以每小时450,000英里(724,000 KPH)的速度冲过太阳时，距离地球上的任务控制器将达到9000万英里 - 这对于团队“驱动”太空船来说太远了。这意味着需要通过派克太阳能探测器的机载引导和控制系统来调整航天器如何通过TPS保护自身。这些系统使用新的有效的自主软件，允许航天器立即改变其指向，以最大限度地防止太阳。这种自主能力对于航天器太阳能电池阵列的运行至关重要，因为派克太阳能探测器跨越太阳的苛刻，过热的电晕，必须不断调整以获得最佳角度。
“在太阳能遭遇期间，太阳能电池阵中翼角的微小变化可以极大地改变所需的制冷能力。” 洛克伍德表示，一个机翼阵列角度的一度变化将需要35%的冷却能力。
不断的挑战是确保航天器和阵列保持凉爽。
洛克伍德说：“没有办法从地面进行这些调整，这意味着它必须引导自己。” “APL开发了各种系统 - 包括机翼角度控制，制导和控制，电力系统，航空电子设备，故障管理，自治和飞行软件 - 这些都是与太阳能电池阵列冷却系统配合使用的关键部件。”
洛克伍德补充道：“这艘太空船可能是有史以来飞行最自治的系统之一。