帕克太陽探測(cè)器熱防護(hù)系統(tǒng)研究及啟示*

黃善杰，林 雋，金振宇，宋騰飛，許方宇

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650216)

太陽是距離地球最近的恒星，主宰著包括地球在內(nèi)的整個(gè)太陽系的環(huán)境。人類所有的活動(dòng)都依賴來自太陽的能量，太陽上的任何活動(dòng)與變化，都以各種各樣的方式影響著人類生活與周邊環(huán)境的安全。特別是太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection, CME)等劇烈活動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)地球周圍的空間磁場(chǎng)和等離子體環(huán)境(也稱為空間天氣)產(chǎn)生劇烈影響，導(dǎo)致災(zāi)害性空間天氣出現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，人類建立了規(guī)模越來越龐大的高科技系統(tǒng)，包括供電系統(tǒng)、通訊、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，人類的日常生活對(duì)這些系統(tǒng)的依賴程度也越來越高。太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽活動(dòng)產(chǎn)生的高能帶電粒子對(duì)現(xiàn)代高科技系統(tǒng)有較大影響，類似 “卡靈頓事件”、“1989魁北克事件” 等強(qiáng)太陽活動(dòng)事件嚴(yán)重影響人類生活乃至生存質(zhì)量。為應(yīng)對(duì)太陽活動(dòng)對(duì)人類的潛在影響，需要對(duì)太陽活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)并預(yù)警。此外，作為目前宇宙中唯一可供人類近距離探測(cè)的恒星，太陽給我們提供了相對(duì)其它恒星或宇宙中類似磁化等離子體環(huán)境不可能具備的抵近探測(cè)的機(jī)會(huì)[1]。

美國(guó)東部時(shí)間2018年8月12日3:31 am，帕克太陽探測(cè)器在位于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾的肯尼迪航天中心發(fā)射升空，將穿過太陽的日冕層，探索之前從未探測(cè)過的區(qū)域，對(duì)日冕和太陽風(fēng)的起源及動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行直接探測(cè)，有望破解日冕高溫和太陽風(fēng)奇高的加速度這兩大謎團(tuán)，其熱防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)探測(cè)器的儀器設(shè)備免受太陽輻射的侵害。

隨著歐洲的太陽軌道探測(cè)器(Solar Orbiter)和俄羅斯的 “內(nèi)太陽探測(cè)” 等近距離探測(cè)太陽項(xiàng)目的推進(jìn)，人類對(duì)太陽的探測(cè)掀起一個(gè)新高潮。中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)也提出并開始推進(jìn)抵近太陽探測(cè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將研制抵近太陽探測(cè)器，并對(duì)太陽爆發(fā)過程及相應(yīng)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抵近探測(cè)。抵近太陽探測(cè)器熱防護(hù)系統(tǒng)用于保護(hù)探測(cè)器的儀器設(shè)備免受超強(qiáng)太陽輻射加熱、高能帶電粒子侵襲和宇宙冷黑輻射制冷等的影響，是確保探測(cè)器任務(wù)成功的關(guān)鍵。研究分析帕克太陽探測(cè)器的熱防護(hù)系統(tǒng)，為我國(guó)抵近太陽探測(cè)器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供一種可借鑒的技術(shù)方案。

1 帕克太陽探測(cè)器軌道及熱環(huán)境

帕克太陽探測(cè)器在遠(yuǎn)日點(diǎn)位于金星附近、近日點(diǎn)約9.5倍太陽半徑的小傾角橢圓軌道上運(yùn)行。探測(cè)器一共7次利用金星的引力助推來逐漸靠近太陽，第1軌時(shí)，探測(cè)器近日點(diǎn)為35倍太陽半徑，接收的太陽輻射強(qiáng)度相對(duì)較低。最后一軌的近日點(diǎn)為9.5倍太陽半徑，遠(yuǎn)日點(diǎn)0.73 AU，軌道與黃道面的夾角為3.4°，周期為88天[2]。一共有24次機(jī)會(huì)接近太陽，距離日心小于10倍太陽半徑的近日區(qū)域內(nèi)共停留約20 h[1]。帕克太陽探測(cè)器距日最近時(shí)，探測(cè)器垂直于太陽光線的受照面單位面積上的輻射通量約為地球附近的500倍。帕克太陽探測(cè)器軌道熱環(huán)境主要包括：強(qiáng)烈且不斷變化的太陽輻射，太陽風(fēng)長(zhǎng)期持續(xù)的沖擊侵蝕，不定期遭受日冕物質(zhì)拋射、耀斑等劇烈太陽活動(dòng)帶來的各種高能帶電粒子的轟擊破壞。此外，軌道上的探測(cè)器背對(duì)等效溫度約為3 K的宇宙背景，承受宇宙冷黑背景的制冷作用。

2 熱防護(hù)系統(tǒng)

帕克太陽探測(cè)器設(shè)有直面太陽輻射沖擊的熱盾，熱盾等效直徑230 cm、厚度11.4 cm，用于抵擋強(qiáng)太陽輻射、日冕物質(zhì)拋射、耀斑、太陽風(fēng)等侵襲，產(chǎn)生一個(gè)保護(hù)科學(xué)設(shè)備的工作區(qū)域。防護(hù)罩具有耐高溫、耐超強(qiáng)太陽輻射、耐空間帶電粒子輻射、反射率高、質(zhì)量密度小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大等特點(diǎn)。帕克太陽探測(cè)器熱盾尺寸大小有一定余量，能容忍2°余量的指向誤差，即帕克太陽探測(cè)器指向太陽中心出現(xiàn)2°傾斜角度時(shí)，仍能確保科學(xué)設(shè)備處于熱盾的陰影內(nèi)[2]。除了熱盾，帕克太陽探測(cè)器熱防護(hù)系統(tǒng)組件還包括輻射制冷器、桁架結(jié)構(gòu)、多層隔熱材料、太陽能電池板及其水冷系統(tǒng)等。桁架為帕克太陽探測(cè)器的骨架，對(duì)熱盾、輻射制冷器、太陽能電池板和設(shè)備艙等器件起到連接、固定和支撐作用。輻射制冷器安裝在熱盾下方的桁架結(jié)構(gòu)表面，與宇宙冷背景進(jìn)行熱輻射交換。輻射制冷器內(nèi)表面和帕克太陽探測(cè)器的科學(xué)儀器表面均覆蓋銀白色的多層隔熱材料，多層隔熱材料外膜具有低熱發(fā)射率和高太陽反射率。太陽能電池板為探測(cè)器供應(yīng)電力，配備的水冷系統(tǒng)用于帶走電池板發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量。熱盾用于抵擋強(qiáng)太陽輻射和空間帶電粒子的侵襲，產(chǎn)生一個(gè)供科學(xué)設(shè)備長(zhǎng)期工作的環(huán)境，其中熱盾表面的迎日涂層是熱防護(hù)罩的迎日面直面太陽輻射沖擊的表面防護(hù)涂層，是面對(duì)超強(qiáng)太陽輻射的第1道防線。

2.1 迎日涂層

帕克太陽探測(cè)器的迎日涂層由白色氧化鋁陶瓷涂層與鎢金屬屏蔽涂層組合而成。迎日涂層下面是碳/碳復(fù)合材料和碳泡沫構(gòu)成的熱盾基層。鎢金屬屏蔽涂層設(shè)置于熱盾基層表面，白色氧化鋁陶瓷涂層覆蓋在鎢金屬屏蔽涂層表面。白色氧化鋁陶瓷涂層在7年任務(wù)期間保持白色，在可見光和近紅外波段都有較高的反射率，具有良好的抗輻照損傷特性，承受電子、質(zhì)子等帶電離子轟擊能力較強(qiáng)，且涂層的熔點(diǎn)超過2 000 ℃。帕克太陽探測(cè)器迎日涂層表面的太陽吸收率αS與熱發(fā)射率εIR的比值αS/εIR約0.6，距日最近時(shí)迎日涂層最高溫度約為1 400 ℃[3]。探測(cè)任務(wù)要求帕克太陽探測(cè)器承受24個(gè)軌道熱循環(huán)，第1軌道迎日涂層溫度變化范圍為70 ℃至600 ℃，最終軌道為130 ℃至1400 ℃。若無迎日涂層，熱盾的碳/碳復(fù)合材料近似為一個(gè)黑體，距日最近時(shí)熱盾表面溫度可達(dá)1 600 ℃。

普通氧化鋁涂層具有脆性大、韌性差等不足，通常添加二氧化鈦/氧化鎂、稀土元素/其氧化物、碳納米管和碳纖維等其它硬質(zhì)相形成復(fù)合粉末材料，彌補(bǔ)氧化鋁涂層的不足[4]。

二氧化鈦的熔點(diǎn)低于氧化鋁，摻雜于氧化鋁中可均勻化組織，改善涂層的結(jié)構(gòu)性能。文[5]研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋁涂層中添加二氧化鈦能提高涂層的致密度、韌性、耐腐蝕性和導(dǎo)熱性，可釋放應(yīng)力，減少裂紋，致密度為實(shí)際密度與理論密度的比值，而涂層的致密度與涂層表面光學(xué)反射率息息相關(guān)[3]。氧化鎂可以增加氧化鋁陶瓷中的氧空位，促進(jìn)擴(kuò)散，有利于燒結(jié)。氧化鎂對(duì)晶粒細(xì)化與致密化作用主要是氧化鎂固溶在氧化鋁晶格中，當(dāng)氧化鎂含量低于固溶極限時(shí)，增加氧化鎂可同時(shí)促進(jìn)燒結(jié)和抑制晶粒長(zhǎng)大；當(dāng)氧化鎂含量超過固溶極限時(shí)，氧化鎂可能與氧化鋁反應(yīng)形成第二相鎂鋁尖晶石，其作用主要是抑制晶粒長(zhǎng)大，而對(duì)致密化存在阻礙作用。文[6]研究發(fā)現(xiàn)，添加適量氧化鎂可以降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，抑制晶粒生長(zhǎng)，提高致密度，隨著氧化鎂添加量從0%～0.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))逐步增加，氧化鋁陶瓷的致密度迅速提高，從97.16%提高到98.87%，0.25%是氧化鎂的最佳添加量；當(dāng)氧化鎂含量過多時(shí)，促使部分晶粒的異常長(zhǎng)大，并使氧化鋁陶瓷的致密度下降。當(dāng)氧化鎂添加量為0.5%時(shí)，材料的致密度有所下降。碳納米管和碳纖維的強(qiáng)度、剛度高，氧化鋁粉末添加碳纖維/碳納米管，可改善涂層內(nèi)部組織的結(jié)合方式，提高力學(xué)性能。涂層組織在碳纖維或者碳納米管相互牽制作用下，涂層的韌性增加，耐磨性、結(jié)合強(qiáng)度提高。稀土氧化物/稀土元素作為硬質(zhì)相分布在涂層中，可改善涂層的微觀結(jié)構(gòu)及性能。文[7]研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素可使氧化鋁涂層晶粒細(xì)化，形成非晶和微晶的混晶結(jié)構(gòu)，改善涂層的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高涂層的耐蝕性。此外，二氧化鈰也可以有效降低氧化鋁涂層的孔隙率[8]。

帕克太陽探測(cè)器的氧化鋁陶瓷涂層添加氧化鎂摻雜劑作為晶粒生長(zhǎng)抑制劑。2006年，帕克太陽探測(cè)器技術(shù)人員在前期研究中發(fā)現(xiàn)，氧化鋁在1 180 ℃附近發(fā)生相變，隨著熱處理溫度的升高而發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致太陽吸收率升高，進(jìn)而導(dǎo)致熱盾溫度升高(1)https://solarprobe.gsfc.nasa.gov/SP_RMStudy_HiRes.pdf。氧化鋁中加入氧化鎂摻雜劑可以阻止這種生長(zhǎng)，并能穩(wěn)定相變后的光學(xué)性質(zhì)，還可以提高氧化鋁陶瓷的致密度。表1 對(duì)比了有無氧化鎂晶粒生長(zhǎng)抑制劑樣品的光學(xué)性質(zhì)[3]，兩樣品采用相同的氧化鋁粉末和屏蔽涂層，其中氧化鋁陶瓷粉末型號(hào)為Metco105SFP，屏蔽涂層為厚度約76.2 μm的氮化鉭。

表1 帕克太陽探測(cè)器氧化鋁陶瓷表面的光學(xué)特性

兩種氧化鋁陶瓷樣品中一種加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氧化鎂，另一種沒有。如表1，首先對(duì)比了兩種陶瓷樣品在室溫環(huán)境(RT)下的光學(xué)特性，添加氧化鎂的αS/εIR比值高于后者。然后兩種氧化鋁陶瓷樣品在千分之一托的真空中經(jīng)6 h 1 180 ℃(T1)熱處理后，其αS，αS/εIR和εIR均相似，但經(jīng)過千分之一托的真空6 h 1 400 ℃(T2)熱處理后，無氧化鎂晶粒生長(zhǎng)抑制劑的樣品的αS增加了近8%，而含氧化鎂樣品的αS卻保持在原值的1%以內(nèi)。氧化鎂晶粒生長(zhǎng)抑制劑確實(shí)降低了εIR值，帕克太陽探測(cè)器熱盾最高溫度約為1 400 ℃，經(jīng)過1 400 ℃熱處理的摻雜氧化鎂的氧化鋁陶瓷樣品的αS/εIR比值，比沒有摻雜的低17.4%，進(jìn)而降低了防護(hù)罩的熱平衡溫度。摻雜氧化鎂后，不僅提高涂層的太陽吸收率/自身熱發(fā)射率的比值，還降低涂層在高溫下的熱膨脹系數(shù)，使之與下方鎢金屬涂層的熱膨脹系數(shù)接近，提高兩涂層之間的結(jié)合能力，使其能承受較大的熱梯度而不裂紋、剝落[3]。

真空高溫環(huán)境下，氧化鋁陶瓷會(huì)與熱盾的碳基層發(fā)生反應(yīng)，變成灰色。帕克太陽探測(cè)器氧化鋁涂層和碳基層之間設(shè)有厚度比頭發(fā)絲直徑還小的屏蔽涂層。設(shè)計(jì)中考慮的屏蔽涂層包括難熔金屬、氮化物、碳化物或氧化物。文[3]通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在氧化鋁陶瓷涂層與碳基層之間增加一層76.2 μm的等離子噴涂氮化鉭后，迎日涂層的太陽輻射吸收率從約60%下降為30%左右，而熱發(fā)射率基本不變，保持在55%附近。帕克太陽探測(cè)器最終選用鎢金屬涂層，阻擋氧化鋁陶瓷和熱盾的碳基層在高溫下的相互作用。鎢的熔點(diǎn)超過3 000 ℃，是熔點(diǎn)最高的金屬，可在高溫下長(zhǎng)期使用。

此外，研究人員測(cè)試了氧化鋁陶瓷涂層的純度和初始粉末顆粒尺寸與其太陽吸收率的關(guān)系。無熱處理的情況下，不同純度的氧化鋁在相同的噴涂條件下的光譜反射率如圖1[3]。從圖1可以看出，99.8%氧化鋁陶瓷的光譜反射率高于99.95%純度的氧化鋁，但其太陽吸收率則低于后者。經(jīng)1 180 ℃熱處理后，兩者在室溫環(huán)境下的光譜反射率變得相差不大，如圖2[3]。

圖1 不同純度的氧化鋁陶瓷的反光率曲線

圖2 經(jīng)1 180 ℃熱處理后, 不同純度的氧化鋁陶瓷的反光率曲線

帕克太陽探測(cè)器技術(shù)人員還研究了不同初始氧化鋁粉末顆粒尺寸下制備的氧化鋁陶瓷的光學(xué)特性差異。相同屏蔽涂層和熱處理時(shí)，初始顆粒尺寸為15～45 μm的Metco 105NS氧化鋁粉末和初始顆粒尺寸為4～30 μm的Metco 105SFP氧化鋁粉末，制備的氧化鋁陶瓷的光譜反射率如圖3[4]。其中紅色曲線對(duì)應(yīng)用Metco 105SFP制備的陶瓷涂層，藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)Metco 105NS。小尺寸氧化鋁粉末顆粒制備的氧化鋁陶瓷的光譜反射率低于大尺寸顆粒，且波長(zhǎng)越短，反射率差別越大，7 μm以上的長(zhǎng)波紅外波段，兩者反射率相差不大。因此，小尺寸氧化鋁粉末顆粒制備的氧化鋁陶瓷的太陽吸收率大于大尺寸顆粒，熱發(fā)射率則相差不大。

圖3 不同粉末尺寸的氧化鋁陶瓷的光譜反射率

帕克太陽探測(cè)器通過控制涂層的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)涂層的光學(xué)和粘附性能，孔隙率相關(guān)效應(yīng)的建模表明致密度對(duì)于短波光學(xué)性質(zhì)比較重要。一定程度上，涂層的光譜吸收率是涂層致密度的函數(shù)。帕克太陽探測(cè)器采用氧化鎂摻雜劑來控制氧化鋁的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)整氧化鋁涂層的太陽吸收率與熱發(fā)射率的比值。探測(cè)器迎日涂層的發(fā)射率是氧化鋁陶瓷本身特性和溫度的函數(shù)。隨著溫度的升高，迎日涂層的光譜熱發(fā)射率朝向太陽光譜輻照移動(dòng)，導(dǎo)致其太陽吸收率與熱發(fā)射率的比值向1移動(dòng)，可通過較低的吸收率降低迎日涂層的表面溫度。

2.2 熱 盾

帕克太陽探測(cè)器熱盾的迎日面和背日面均為碳/碳復(fù)合材料，迎日涂層鍍?cè)谟彰娴奶?碳復(fù)合材料的表面，底部的碳/碳復(fù)合材料沒有迎日涂層，雙碳/碳層之間為低導(dǎo)熱的碳泡沫，帕克太陽探測(cè)器熱盾的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖4[9]。

圖4 帕克太陽探測(cè)器熱盾剖面結(jié)構(gòu)示意圖

碳/碳復(fù)合材料有耐燒蝕、熱穩(wěn)定性好、密度小、強(qiáng)度大、高斷裂韌性、導(dǎo)熱能力好等特點(diǎn)，多用于彈頭、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、剎車盤等高溫結(jié)構(gòu)件。碳/碳復(fù)合材料是極少數(shù)能在3 000 ℃下使用的材料[10]，也是目前所知唯一一種到2 500 ℃強(qiáng)度不降低的材料，最大的特點(diǎn)是強(qiáng)度隨溫度的升高不降反升[11]。它是一種輕質(zhì)材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，作為熱盾 “龍骨”起到支撐作用。帕克探測(cè)器的兩塊碳/碳復(fù)合材料層都很薄，不到十分之一英寸，具有良好的柔韌性，即使兩層放在一起，也可以彎曲(2)https://hub.jhu.edu/2018/08/06/parker-solar-probe-heat-shield-explained/。太陽輻照導(dǎo)致樹脂揮發(fā)，為了保證防護(hù)罩的強(qiáng)度，碳/碳復(fù)合材料層不能含有樹脂和其它任何雜質(zhì)，為純碳纖維纏繞在一起的碳/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。

帕克太陽探測(cè)器所用的碳/碳復(fù)合材料經(jīng)3 000 ℃電烤箱反復(fù)4～5次高溫烘烤。高溫下，亂層碳/碳材料結(jié)構(gòu)發(fā)生三維層平面的重排現(xiàn)象，使亂層結(jié)構(gòu)的層間距減小，微晶尺寸增加，碳/碳復(fù)合材料由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。經(jīng)高溫處理后，碳/碳復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐高溫能力可進(jìn)一步增強(qiáng)。碳/碳層之間的碳泡沫作為隔熱層，用于隔絕熱量，阻擋熱量傳導(dǎo)給桁架和后端設(shè)備。碳本身能傳導(dǎo)熱量，碳泡沫中絕大部分是空的。除了減少航天器的重量以幫助它進(jìn)入軌道外，泡沫結(jié)構(gòu)還可以大幅度降低熱量傳導(dǎo)。碳泡沫具有耐高溫、耐腐蝕、高抗熱沖擊、熱學(xué)穩(wěn)定性好、密度小、強(qiáng)度大、易加工、低熱膨脹等特點(diǎn)，其導(dǎo)熱、導(dǎo)電能力和密度在生產(chǎn)環(huán)節(jié)可調(diào)[12]。該設(shè)計(jì)在降低熱盾整體質(zhì)量的前提下，保證了熱盾的強(qiáng)度，直徑2.3 m、厚度十多厘米的帕克太陽探測(cè)器熱盾質(zhì)量只有160磅左右。帕克太陽探測(cè)器熱盾的剖面圖如圖5，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證熱盾的強(qiáng)度，并大幅度降低熱盾的質(zhì)量。

圖5 帕克太陽探測(cè)器熱盾的剖面圖

碳/碳復(fù)合材料層的制作工藝類似于網(wǎng)球拍的環(huán)氧樹脂，首先進(jìn)行涂抹，然后逐漸固化，最終形成強(qiáng)度較高的固態(tài)層，如圖6。

圖6 兩張帕克太陽探測(cè)器熱盾的碳/碳復(fù)合材料層涂抹過程的圖片

2.3 輻射制冷器

由于不直面太陽，帕克太陽探測(cè)器輻射制冷器工作環(huán)境與普通航天器相似，探測(cè)器由多塊輻射制冷板拼接而成，外表面涂有高熱發(fā)射率涂層，內(nèi)表面貼銀白色多層隔熱材料，如圖7。

圖7 帕克太陽探測(cè)器的輻射制冷板、輻射制冷器

2.4 太陽能電池板及冷卻系統(tǒng)

帕克太陽探測(cè)器采用一種能減輕紫外退化的太陽能電池板供電，兩個(gè)電池板總面積約1.55 m2，每個(gè)電池板有主、副電池板兩部分，副電池板位于末端，兩者由不同尺寸的電池片單元組成。當(dāng)處于最終軌道近日點(diǎn)時(shí)，探測(cè)器附近的太陽輻照度高達(dá)70 W/cm2，是以往任何航天器的50倍以上[2]，如圖8。

圖8 帕克太陽探測(cè)器太陽能電池板

帕克太陽探測(cè)器距日9.5倍太陽半徑時(shí)太陽不能看作點(diǎn)源，其陰影區(qū)域分為本影區(qū)和半影區(qū)。本影區(qū)完全黑暗，太陽光線被熱盾阻擋，沒有任何光線到達(dá)。半影區(qū)只有部分太陽可見，如圖9[2]。

圖9 距日9.5倍太陽半徑時(shí)熱盾的本影區(qū)和半影區(qū)

半影區(qū)內(nèi)，與光線垂直的平面上太陽輻照強(qiáng)度從本影區(qū)邊界線上的0個(gè)太陽，到半影區(qū)外邊界線的100%太陽，此時(shí)受照面單位面積上的太陽輻射通量約為地球附近的512倍。雖然處于半影區(qū)的太陽能電池板表面的太陽輻照強(qiáng)度不均勻，但電池板內(nèi)平行于迎日面的電池片線列上有比較均勻的太陽輻照度。為了最小化由局部熱流驅(qū)動(dòng)的太陽陣列溫度和溫度梯度，電池板設(shè)計(jì)成在距日最近的地方只能看到25%的太陽。

帕克太陽探測(cè)器還控制電池板與入射太陽光線成一定夾角，以進(jìn)一步減少電池板的發(fā)熱量。當(dāng)入射光線垂直照射到電池板表面時(shí)，距日最近時(shí)電池板單位面積上的太陽輻射通量是512倍太陽常數(shù)，電池板表面法線與入射光線夾角越大，距日最近時(shí)的電池板的太陽輻照度越小。探測(cè)器太陽能電池板閉環(huán)控制電池板表面法線與熱盾法線的傾斜夾角，以改變暴露在太陽輻射下的電池板面積。距日較近時(shí)，探測(cè)器陣列向內(nèi)傾斜，以減少暴露的電池板面積，只剩余足夠的電池板面積吸收太陽能供電。距日較遠(yuǎn)時(shí)，太陽能電池板完全打開，使電池板大面積暴露在太陽輻照下[2]。

距日最近時(shí)，帕克太陽探測(cè)器電池板每產(chǎn)生1 W電量，會(huì)產(chǎn)生約13 W的熱量。探測(cè)器最大耗電功率約462 W，最大需要冷卻約6 000 W的熱量。太陽能電池板工作溫度不能超過150 ℃，在閉環(huán)控制傾斜角的基礎(chǔ)上，探測(cè)器仍配備了冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步降低電池板的溫度。技術(shù)人員對(duì)比研究了熱管冷卻和單相泵循環(huán)液冷卻兩種冷卻系統(tǒng)。由于單向泵循環(huán)液冷系統(tǒng)的總質(zhì)量約為55 kg，而熱管冷卻系統(tǒng)的總質(zhì)量為115 kg，最終選擇了前者。

帕克太陽探測(cè)器的單向泵循環(huán)液冷系統(tǒng)如圖10[2]，泵機(jī)組把冷卻水泵入太陽能電池板的水冷通道，然后流經(jīng)輻射制冷板重新回到泵機(jī)組，形成一個(gè)閉環(huán)水冷系統(tǒng)。把兩個(gè)太陽能電池板的熱量傳遞給輻射制冷板。每個(gè)太陽能電池板的冷卻流量為3 L/min，總流量6 L/min。兩個(gè)電池板液冷管路的大小和功能相同，使用3/8英寸直徑的連接管，壁厚0.028英寸。輻射散熱器所用管子直徑為0.25英寸，壁厚為0.028英寸。

圖10 帕克太陽探測(cè)器太陽能電池板的液冷系統(tǒng)原理圖

零重力、密閉循環(huán)液冷系統(tǒng)需要體積補(bǔ)償裝置，即圖中的蓄水器。蓄水器有金屬板焊接而成，總?cè)萘看蠹s320立方英尺，用于克服溫度變化引起的密度變化和系統(tǒng)漏水問題。為了防止泵進(jìn)口出現(xiàn)空穴，蓄水器必須保證系統(tǒng)壓力比最高流體溫度160 ℃時(shí)的水蒸氣壓高出15 psi。蓄水器的系統(tǒng)最大預(yù)期工作壓力為325 psi，質(zhì)量為4磅，直徑5英尺，高11英尺。探測(cè)器太陽能電池板單向泵循環(huán)液冷系統(tǒng)整體布局如圖11[2]。循環(huán)液冷系統(tǒng)的管路采用撓性軟管，整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量為54.7 kg，離心泵最大輸入功率不超過43 W。所用離心泵為美國(guó)漢勝公司(HamiltonSundstrand Corporation)的經(jīng)典之作，多用于各種長(zhǎng)壽命飛行，特定轉(zhuǎn)速500、流體溫度為70 ℃時(shí)，泵的效率約為40%。該泵具有流速、流量控制能力，從而降低帕克太陽探測(cè)器非峰值溫度運(yùn)行時(shí)的功耗。隨著水的溫度升高，泵的輸入功率減小。當(dāng)水溫為10 ℃，容積流量為6 L/min時(shí)，泵的最大輸入功率為43 W。水溫較高時(shí)，泵的輸入功率可小于40 W。

圖11 帕克太陽探測(cè)器太陽能電池板液冷系統(tǒng)的布局圖

帕克太陽探測(cè)器電池片底部焊接絕緣且導(dǎo)熱良好的陶瓷傳熱體，陶瓷體通過導(dǎo)熱粘合劑連接到背板上。熱量通過陶瓷傳熱體從電池片轉(zhuǎn)移到背板，然后傳給背板內(nèi)微通道的冷卻水。電池板內(nèi)有兩個(gè)微通道，為主、副電池板微通道。探測(cè)器用離心泵驅(qū)動(dòng)冷卻水循環(huán)流動(dòng)，冷卻水吸收電池板熱量后流經(jīng)輻射制冷器，把熱量輻射到宇宙空間。單相泵循環(huán)液冷系統(tǒng)是帕克太陽探測(cè)器的 “心臟和循環(huán)系統(tǒng)”，采用封閉式設(shè)計(jì)，使用加壓去離子水作冷卻劑，去離子水無可污染或損害系統(tǒng)的礦物質(zhì)，總量大約2.53 L，沸點(diǎn)超過125 ℃。發(fā)射后，探測(cè)器將經(jīng)過一次日食，日食時(shí)，水冷系統(tǒng)將變得非常冷，輻射器溫度可降到-150 ℃。為了保證水冷系統(tǒng)存活，發(fā)射時(shí)水冷系統(tǒng)管路必須是干燥、無水的，去離子水存儲(chǔ)在板載存儲(chǔ)罐中，以防止結(jié)冰。為保證系統(tǒng)不凍結(jié)，日食過后需用電池板對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行加熱。一旦管路及附件被加熱到20 ℃，充水閥門打開，當(dāng)水箱一半的空間裝滿水時(shí)，探測(cè)器便可安全運(yùn)轉(zhuǎn)。水冷系統(tǒng)必須維持最低10 ℃，以免結(jié)冰。為滿足7年任務(wù)期和3年地面期，水箱、管路和接頭等主要浸潤(rùn)材料采用CP級(jí)鈦合金、316 L型不銹鋼和英科耐爾(Inconel)合金，降低系統(tǒng)被腐蝕的可能性，保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

3 啟 示

帕克太陽探測(cè)器是目前人類研制的第1個(gè)飛入太陽日冕層的航天器，其熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在熱防護(hù)能力、體積、質(zhì)量方面做了良好的優(yōu)化平衡，具有很強(qiáng)的代表性。通過研究帕克太陽探測(cè)器熱防護(hù)系統(tǒng)，有助于更好地探索適合我國(guó)抵近太陽探測(cè)器的熱防護(hù)方法。本文認(rèn)為，在以下幾方面對(duì)我國(guó)抵近太陽探測(cè)項(xiàng)目的熱防護(hù)研究工作具有啟示作用：

(1)帕克太陽探測(cè)器熱盾通過表面與宇宙冷黑的輻射熱交換散熱，熱盾迎日涂層的太陽吸收率αS和熱發(fā)射率εIR的比值αS/εIR是熱盾平衡溫度的主導(dǎo)因素，比值越低，熱盾的平衡溫度越低，進(jìn)而降低熱盾基層的設(shè)計(jì)壓力。熱輻射本領(lǐng)最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)附近的光譜輻射率越高，其輻射散熱效果越好。雖然帕克太陽探測(cè)器采用了調(diào)節(jié)涂層微觀結(jié)構(gòu)提高涂層的太陽反射率和熱發(fā)射率，但迎日涂層在熱輻射本領(lǐng)最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)附近的光譜輻射率沒有特別設(shè)計(jì)，導(dǎo)致迎日涂層的αS/εIR比值偏高，輻射散熱能力較弱，距日最近時(shí)迎日涂層溫度高達(dá)1 400 ℃。對(duì)于處于距日心5倍太陽半徑區(qū)域的抵近探測(cè)器來說，其熱平衡溫度遠(yuǎn)超氧化鋁陶瓷的熔點(diǎn)。此外，氧化鋁陶瓷涂層的硬度和模量高，導(dǎo)致高溫?cái)嗔秧g性低、損傷容限低，容易產(chǎn)生裂紋、剝落。目前帕克太陽探測(cè)器迎日涂層無法滿足我國(guó)抵近太陽探測(cè)器的要求，可以從降低迎日面αS/εIR比值、提高抗高溫能力和摻雜提高氧化鋁陶瓷涂層韌性3方面出發(fā)，探索適合抵近太陽探測(cè)器的迎日涂層。

(2)抵近太陽探測(cè)器軌道與太陽的距離是整個(gè)熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，距日心10倍太陽半徑和5倍太陽半徑差異巨大的輻射通量密度對(duì)熱盾設(shè)計(jì)與冷卻方式以及太陽能電池板的冷卻方式影響巨大。對(duì)于我國(guó)抵近太陽探測(cè)器來說，除了尋找αS/εIR比值更低和更抗高溫的迎日涂層優(yōu)化設(shè)計(jì)，還應(yīng)結(jié)合具體軌道設(shè)計(jì)，尋找進(jìn)一步降低熱盾和太陽能電池板等迎日面溫度的新方法，包括提高熱盾傳遞熱量給輻射制冷器，增加太陽能電池板表面的太陽輻射反射率，進(jìn)而減少其熱控壓力等，探求適合我國(guó)抵近太陽探測(cè)項(xiàng)目的新型熱控設(shè)計(jì)。

(3)設(shè)備總質(zhì)量決定了能否用現(xiàn)有火箭發(fā)射太陽探測(cè)器到設(shè)計(jì)繞日軌道，也是項(xiàng)目可行性的關(guān)鍵。為保證滿足熱防護(hù)要求，技術(shù)人員在減輕熱防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量方面做了巨大的努力。從160磅左右的超輕質(zhì)熱盾，到放棄總質(zhì)量為115 kg熱管冷卻系統(tǒng)，選用55 kg的單向泵循環(huán)液冷系統(tǒng)等降低質(zhì)量設(shè)計(jì)，降低了整個(gè)帕克太陽探測(cè)器的質(zhì)量，大幅度提高了項(xiàng)目的可行性。為降低對(duì)火箭運(yùn)載能力的要求，需要在帕克太陽探測(cè)器熱防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有效借鑒近幾年出現(xiàn)的新型材料和新型熱控技術(shù)，進(jìn)一步探索降低熱防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量的方法。