A medida que la nave espacial Parker Solar Probe de la NASA comienza su primer encuentro histórico con la corona del sol a fines de 2018, volando más cerca de nuestra estrella que cualquier otra misión en la historia, un sistema de enfriamiento revolucionario mantendrá sus paneles solares al máximo rendimiento, incluso encondiciones extremadamente hostiles.
Todos los instrumentos y sistemas a bordo de la sonda solar Parker con la excepción de cuatro antenas y un detector de partículas especial estarán ocultos del sol detrás de un innovador sistema de protección térmica TPS: un escudo de ocho pies de diámetro que ella nave espacial usa para defenderse del intenso calor y energía de nuestra estrella.
Todos los sistemas estarán protegidos, es decir, excepto los dos paneles solares que alimentan la nave espacial. Cuando la nave espacial esté más cerca del sol, los paneles solares recibirán 25 veces la energía solar que recibirían al orbitar la Tierra, y ella temperatura en el TPS alcanzará más de 2,500 ° F 1,370 ° C. El sistema de enfriamiento mantendrá las matrices a una temperatura nominal de 320 ° F 160 ° C o menos.
"Nuestros paneles solares operarán en un entorno extremo en el que otras misiones nunca antes habían operado", dijo Mary Kae Lockwood, ingeniera de sistemas de naves espaciales de la sonda solar Parker de Johns Hopkins Applied Physics Lab.
Nuevas innovaciones para sobrevivir al infierno
Los bordes más externos de las matrices solares se doblan hacia arriba, y cuando la nave espacial está más cerca del sol, estas pequeñas astillas de la matriz se extenderán más allá de la protección del TPS para producir suficiente energía para los sistemas de la nave espacial.
El increíble calor de nuestra estrella dañaría los conjuntos de naves espaciales convencionales. Entonces, al igual que muchos otros avances tecnológicos creados especialmente para esta misión, APL desarrolló un primer sistema de paneles solares refrigerados activamente de su tipo, en asociación con United TechnologiesSistemas aeroespaciales UTAS en Windsor Locks, Connecticut que fabricó el sistema de enfriamiento y SolAero Technologies de Albuquerque, Nuevo México que produce los paneles solares.
"Todo esto es nuevo", dijo Lockwood sobre las innovaciones relacionadas con el sistema de paneles solares enfriados activamente. "La NASA financió un programa para Parker Solar Probe que incluía el desarrollo tecnológico de los paneles solares y su sistema de enfriamiento. Trabajamos estrechamente con nuestrosocios en UTAS y SolAero para desarrollar estas nuevas capacidades, y se nos ocurrió un sistema muy efectivo "
El sistema de enfriamiento Parker Solar Probe tiene varios componentes: un tanque acumulador calentado que retendrá el agua durante el lanzamiento "Si hubiera agua en el sistema, se congelaría", dijo Lockwood; bombas de dos velocidades; y cuatro radiadores hechosde tubos de titanio que no se corroerán y aletas deportivas de aluminio de solo dos centésimas de pulgada de grosor. Al igual que con toda la potencia en la nave espacial, el sistema de enfriamiento funciona con paneles solares, los mismos paneles que necesita para mantenerse fresco.Asegure su funcionamiento. Con una capacidad operativa nominal, el sistema proporciona 6,000 vatios de capacidad de enfriamiento, suficiente para enfriar una sala de estar de tamaño promedio.
Algo sorprendentemente, el refrigerante utilizado no es más que agua presurizada regular, aproximadamente cinco litros, desionizada para eliminar minerales que podrían contaminar o dañar el sistema. El análisis mostró que, durante la misión, el refrigerante necesitaría operar entre 50 °F 10 ° C y 257 ° F 125 ° C, y pocos líquidos pueden manejar esos rangos como el agua ". Parte de la financiación de demostración de tecnología de la NASA fue utilizada por APL y nuestros socios en UTAS para examinar una variedad de refrigerantes", dijo Lockwood." Pero para el rango de temperatura que requerimos, y para las restricciones de masa, el agua fue la solución ". El agua se presurizará, lo que elevará su punto de ebullición por encima de los 257 ° F".
Los paneles solares presentan sus propias innovaciones técnicas. "Aprendimos mucho sobre el rendimiento del panel solar de la nave espacial MESSENGER [construida por APL], que fue la primera en estudiar Mercurio", dijo Lockwood. "En particular, aprendimos cómodiseñar un panel que mitigue la degradación de la luz ultravioleta "
El vidrio de cubierta en la parte superior de las células fotovoltaicas es estándar, pero la forma en que se transfiere el calor de las células al sustrato del panel, la platina, es única. Se creó un portador de cerámica especial y se solda a la parte inferior de cadacelda, y luego se adhiere a la platina con un adhesivo termoconductor especialmente elegido para permitir la mejor conducción térmica en el sistema al tiempo que proporciona el aislamiento eléctrico necesario.
Del hielo al fuego: desafíos de lanzamiento
Si bien el calor extraordinario del sol será el desafío más intenso de la nave espacial, los minutos inmediatamente posteriores al lanzamiento son en realidad una de las secuencias de rendimiento temprano más críticas de la nave espacial.
Cuando Parker Solar Probe se lance a bordo de un cohete pesado ULA Delta IV desde la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, Florida, en el verano de 2018, el sistema de enfriamiento sufrirá grandes oscilaciones de temperatura ". Hay mucho que hacer para asegurarse de que el agua no funcione"no se congele ", dijo Lockwood.
Primero, las temperaturas de los paneles solares y los radiadores del sistema de enfriamiento caerán de eso en el carenado aproximadamente 60 ° F, o 15 ° C a temperaturas que van desde -85 ° F a -220 ° F -65 ° C a-140 ° C antes de que el sol los pueda calentar. El tanque de refrigerante precalentado evitará que el agua se congele; los radiadores especialmente diseñados, diseñados para rechazar el calor y las temperaturas intensas en el sol, también sobrevivirán a este amargofrío, gracias a un nuevo proceso de unión e innovaciones de diseño.
Menos de 60 minutos después, la nave espacial se separará del vehículo de lanzamiento y comenzará la secuencia posterior a la separación. Girará para apuntar al sol; los paneles solares se liberarán de sus esclusas de lanzamiento; los paneles rotarán para apuntarhacia el sol; se abrirá una válvula de cierre para liberar el agua tibia en dos de los cuatro radiadores y los paneles solares; la bomba se encenderá; la nave espacial girará de nuevo a una orientación de orientación nominal, calentando los dos radiadores más fríos e inactivos; y la energía de los paneles solares enfriados comenzará a recargar la batería.
En otra primera, esta serie compleja y crítica de tareas se completará de forma autónoma por la nave espacial, sin ninguna aportación del control de la misión.
El agua de los dos radiadores no activados permanecerá en el tanque de almacenamiento durante los primeros 40 días de vuelo; después de eso, se activarán los dos radiadores finales.
"Uno de los mayores desafíos para probar esto es esas transiciones de muy frío a muy caliente en un corto período de tiempo", dijo Lockwood. "Pero esas pruebas y otras pruebas para mostrar cómo funciona el sistema cuando está bajo un calentamiento totalTPS, correlacionado bastante bien con nuestros modelos ".
Gracias a las pruebas y el modelado, el equipo estudió los datos y aumentó la cobertura térmica en los dos primeros radiadores que se activarán, para equilibrar la maximización de su capacidad al final de la misión y reducir aún más el riesgo de congelación del agua al principiola misión.
Mantenerse fresco, de forma autónoma
Cuando Parker Solar Probe pasa velozmente al sol a unas 450,000 millas por hora 724,000 KPH, estará a 90 millones de millas de los controladores de misión en la Tierra, demasiado lejos para que el equipo "conduzca" la nave espacial. Esto significa queLos ajustes a la forma en que la nave espacial se protege a sí misma con el TPS deben ser manejados por los sistemas de control y guía integrados de Parker Solar Probe. Estos sistemas utilizan un nuevo y eficaz software autónomo para permitir que la nave espacial altere instantáneamente su puntería para maximizar la protección contra el sol.la capacidad autónoma es crítica para el funcionamiento de los paneles solares de la nave espacial, que deben ajustarse constantemente para obtener un ángulo óptimo a medida que la Sonda Solar Parker se lanza a través de la corona dura y sobrecalentada del sol.
"Durante los encuentros solares, los cambios muy pequeños en el ángulo del ala del conjunto solar pueden cambiar enormemente la capacidad de enfriamiento necesaria". Lockwood dijo que un cambio de un grado en el ángulo del conjunto de un ala requeriría un 35 por ciento más de capacidad de enfriamiento.
El desafío constante es asegurarse de que la nave espacial y las matrices se mantengan frías.
"No hay forma de hacer estos ajustes desde el suelo, lo que significa que tiene que guiarse a sí mismo", dijo Lockwood. "APL desarrolló una variedad de sistemas, incluyendo control de ángulo de ala, guía y control, sistema de energía eléctrica, aviónica,software de gestión de fallas, autonomía y vuelo, que son partes críticas que funcionan con el sistema de enfriamiento de paneles solares ".
Lockwood agregado: "Esta nave espacial probablemente sea uno de los sistemas más autónomos que se haya volado"
Esa autonomía, junto con el nuevo sistema de enfriamiento y las actualizaciones pioneras de la matriz solar, serán cruciales para garantizar que la Sonda Solar Parker pueda realizar las investigaciones científicas nunca antes posibles en el sol que responderán a las preguntas que los científicos han tenido sobre nuestra estrella ysu corona. Obtenga más información sobre esas preguntas en http://solarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/index.php#Science-Objectives .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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