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用核聚变测试防热罩材料

科学
wanwan (42055)发表于 2021年11月17日 20时13分 星期三
来自光环:新斯巴达
1995 年 12 月 7 日,NASA 的一个探测器进入木星大气层后立刻开始燃烧。它为执行伽利略任务酝酿了六个月,在飞行 8000 万英里之后,它准备对太阳系最大行星周围氢和氦的厚层进行采样。

这艘名为木星大气探测器的航天器经过精心设计,可承受与木星大气接触时遇到的高温。它有一个巨大的碳隔热罩,约占探测器总重量的 50%,旨在在探测器下降时通过磨损散热。这个被称为烧蚀的受控过程在地球上经过仔细建模——NASA 甚至建立了一个名为 Giant Planet Facility 的特殊测试实验室,试图重建条件并测试设计。

当探测器以超过 100,000 英里的时速穿过云层时,摩擦将周围空气加热到华氏 28,000 度以上——将原子分裂成带电粒子并产生被称为等离子体的电汤。等离子体解释了闪电或极光等自然现象;太阳是一个巨大的、燃烧的等离子体球。它通常被称为物质的第四种状态,但实际上它是第一种状态:宇宙大爆炸之后的那一刻,一切都是等离子体。

等离子体穿过木星探测器隔热罩的速度超出 NASA 所有人的预期。当工程师分析隔热罩中传感器传回的数据时,他们意识到自己精心设计的模型出错了。隔热罩某些区域分解的程度比预期的要多得多,而在另一些区域则要少得多。探测器侥幸得存,唯一的原因是他们在设计中对其加厚,从而建立了容错冗余。奥本大学等离子体专家 Eva Kostadinova 表示:“这是一个悬而未决的问题,但如果你想设计新的任务,你必须能够模拟正在发生的事情。”

伽利略任务完成后,科学家使用探测器的数据调整了烧蚀模型,但他们仍然面临一个大问题:很难精确地重新创造高速进入稠密大气的条件,因此很难测试模型的准确性。这也对可能比目前使用的碳材料更轻或更好的新型隔热材料构成了障碍。如果你无法测试它们,就很难确信它们会在价值 10 亿美元的航天器上起作用。

过去的测试工作使用了激光、等离子射流和高速射弹来模拟进入的热量,但没有一个是完全正确的。 Kostadinova 表示:“地球上没有任何航天设施可以达到进入木星等的大气时所经历的高温条件。”现在,Kostadinova 和加州大学圣地亚哥分校的合作者 Dmitri Orlov 的新研究证明了一种替代方案——实验性核聚变反应堆的炽热内核