¿Cómo protege el escudo térmico de Parker Solar Probe del polvo cerca del sol?

En esta respuesta se analiza la supervivencia de la nave espacial Parker Solar Probe que pasa tan cerca como 9 radios solares de la superficie del Sol. Uso de guestimates para apoapsis y periapsis de 1.1 a v mi norte tu s , 10 r s tu norte . Obtengo velocidades de alrededor de 11 000 y 190 000 m/s usando la ecuación vis-viva .

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arriba: captura de pantalla de la página ES9 de la hoja informativa de Solar Probe Plus .

El escudo térmico se describe aquí :

La característica principal del TPS es un escudo de espuma de carbono-carbono de 8 pies de diámetro y 4,5 pulgadas de espesor que se colocará sobre el cuerpo de la nave espacial Solar Probe Plus. El sistema protegerá a la Sonda Solar Parker de temperaturas superiores a los 2.500 grados Fahrenheit y de los impactos de partículas de polvo a hipervelocidad mientras vuela a través de la atmósfera exterior del Sol.

En el GIF a continuación, se puede ver el escudo y un punto muerto entre el escudo y el cuerpo de la nave espacial con forma de máquina de café espresso . Como se describe en la respuesta vinculada y aquí , los "paneles laterales" son radiadores para ayudar a enfriar la parte posterior del escudo, y las patas largas que conectan el escudo al satélite están diseñadas para tener una impedancia térmica muy alta para minimizar el flujo de calor.

He preguntado sobre el origen del polvo cerca del Sol en esta pregunta . Si entiendo correctamente, el polvo cae lentamente hacia el Sol porque las partículas de un cierto rango de tamaño experimentan una fuerza de desaceleración tangencial a través del efecto Poynting Robertson . Está relacionado con la aberración astronómica: moverse transversalmente a través de un flujo de fotones provoca una presión de radiación ligeramente mayor en el lado frontal de la partícula. Dado que la fuerza depende de la velocidad, es mayor en el periapsis y, por lo tanto, tiende a circularizar las órbitas.

Mi pregunta es: si el escudo térmico mira directamente hacia el Sol para que esta nave espacial larga y estrecha pueda permanecer en la sombra para que se "mueva de lado" a través de este campo de polvo, ¿cómo " protege" este escudo a la nave espacial de los impactos de partículas de polvo a hipervelocidad mientras vuela a través de la atmósfera exterior del Sol ?

¿Hay "partículas de polvo a hipervelocidad" saliendo directamente del Sol? ¿hollín del sol?

La pregunta se destaca aún más en este párrafo de la Sección 4.5.3 de este informe de 2008 :

El instrumento de polvo coronal está montado en el panel –Y mirando en la dirección del ariete para recoger el número máximo de impactos de polvo.

editar: la caída lenta y constante de partículas / polvo da como resultado una concentración más alta cerca del sol: una capa esférica que se derrumba tiene un área cada vez más pequeña. Esta nube ha sido históricamente observada como la fuente de la Luz Zodiacal . La mayoría de las partículas tienen un tamaño de decenas o cientos de micrones, y una teoría del origen es la colisión de asteroides o cometas. Cuando la nube se acerca demasiado al Sol, las partículas se desintegran, y este "agujero" en la nube se llama Corona de Polvo Solar . Hay mucho más para leer en el artículo titulado Polvo cerca del sol .

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arriba: una larga exposición de Paranal que muestra la luz zodiacal ; esta y versiones más grandes están disponibles en Wikipedia .

Sonda solar más

arriba: GIF hecho a partir de seis capturas de pantalla, recortadas del video de YouTube que se muestra por separado a continuación, del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins. El JHU APL ha diseñado y construirá y operará la nave espacial para la NASA .

También puede ver los detalles de la articulación de los paneles solares: observe cómo se oscurecen cada vez más detrás del escudo a medida que se retiran, hasta que solo una pequeña sección permanece muy oblicuamente iluminada en el increíblemente intenso flujo de luz (y todo lo demás) del Sol.

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arriba: captura de pantalla de la hoja de datos Solar Probe Plus de la NASA

Se puede suponer que provienen directamente del sol. Eso no importa cuando la velocidad tangencial al sol sea tan alta. Mmm...
@PearsonArtPhoto ¿Qué significa realmente " uno puede asumir "? ¿Sabes que esto está sucediendo? ¿Las partículas de polvo realmente salen directamente del sol? Nunca había escuchado acerca de eso. ¿O solo estás adivinando?
Tiene sentido que la dirección principal sea directamente opuesta al Sol. Probablemente estarán en algún tipo de ángulo, pero como dije, en realidad no importa, la nave espacial se mueve lo suficientemente rápido como para que la dirección apenas importe.
@PearsonArtPhoto ¡Ciertamente importa bastante! Y más allá de los protones y un átomo o ion de helio ocasional, nunca he oído hablar de partículas de polvo saliendo del sol. La nave espacial se moverá mucho más rápido que cualquier polvo en órbita, ya que se espera que el polvo sea en su mayoría circularizado, por lo que el polvo debería golpearlo en el costado, no en el frente. ¡Mecánica orbital básica que aprendí aquí mismo en SXSE!
Me imagino más algo como el viento solar, que tiene una velocidad de escape cercana, por lo que iría a una velocidad mucho mayor que la nave espacial.
@PearsonArtPhoto esta pregunta es sobre el polvo: partículas de carbono y sílice de micras a milimétricas. Si hay algo así saliendo del sol, ¡estaré realmente sorprendido!
@UIDAlexD PearsonAP a menudo ofrece respuestas muy perspicaces; a veces, una conversación como esta ayuda a resaltar los problemas o la información que olvidé incluir en la pregunta, así como a resaltar puntos que ayudan a otros a formular respuestas también. Echa un vistazo a esta increíble joya : ¡nunca habría encontrado los WTFAQ por mi cuenta!
El escudo térmico no está destinado a protegerlo del polvo, se supone que debe proteger a la nave espacial de la inmensa radiación cerca del perihelio.
@honeste_vivere Bien, eso lo explicaría. ¿Está diciendo que es solo un error en el sitio web de Johns Hopkins? ¿Puedes dejar eso como respuesta (la primera parte, no necesariamente la parte sobre el error!)

Respuestas (2)

@uhoh - Error, no. Mala redacción, quizás sí.

Parece que la hoja informativa de APL implica que el escudo térmico Solar Probe Plus debe sobrevivir a temperaturas extremas, radiación e impactos de polvo; de lo contrario, el resto de la nave espacial sufrirá una ablación cerca del perihelio en la aproximación más cercana.

Si el escudo térmico mira directamente hacia el Sol, de modo que esta nave espacial larga y estrecha puede permanecer en la sombra y "moverse hacia los lados" a través de este campo de polvo, ¿cómo protege este escudo a la nave espacial de los impactos de las partículas de polvo a hipervelocidad ? vuela a través de la atmósfera exterior del Sol "?

No es que el escudo térmico esté destinado a proteger la nave espacial del polvo, ya que en el perihelio su velocidad transversal a la normal del escudo térmico (es decir, varios cientos de km/s con respecto al sol) superará con creces las velocidades típicas del polvo esperadas (es decir, , varias decenas de km/s con respecto al sol). En otras palabras, en el marco de la nave espacial en el perihelio, la trayectoria del polvo que impacta será básicamente hacia el costado de la nave espacial, no normal a la superficie del escudo térmico.

Sin embargo, el polvo del tamaño de una micra que golpea algo a varios cientos de km/s, incluso en ángulos de mirada, no es algo que deba ignorarse. Los equipos han realizado un modelado considerable para tratar de resolver este problema, pero la distribución del polvo dentro de ~0.3 AU no se conoce bien.

Nota al margen divertida: El instrumento FIELDS está planeando buscar polvo al detectar los pulsos de campo eléctrico que resultan de las nubes de plasma producidas por la partícula que impacta. Esto se ha hecho antes con misiones como Wind y STEREO (y algunas otras) y fue descubierto por accidente.

¡Gracias! Entonces, considerando la oración " El sistema protegerá a Solar Probe Plus de temperaturas superiores a los 2500 grados Fahrenheit y de impactos de partículas de polvo a hipervelocidad mientras vuela a través de la atmósfera exterior del Sol ". Puede haber una fracción de polvo con un componente radial positivo, pero en realidad ¿No lo protegerá de las partículas de polvo a hipervelocidad en gran medida?
He hecho una pregunta de seguimiento .

El escudo térmico (TPS) no está destinado a proteger la nave espacial de los impactos de polvo. La declaración no es del todo precisa y (de una búsqueda reciente) parece haber sido eliminada del sitio.

Como ingeniero en el equipo de Parker Solar Probe, participé en las revisiones de diseño preliminar y crítico para la misión, que incluyen presentaciones sobre la protección contra el polvo y el TPS.

Los estudios de protección contra el polvo evalúan el daño potencial a todas las superficies de la nave espacial, incluido el TPS, pero no asignan ninguna función única a ninguna superficie como dispositivo de protección.

Los requisitos de diseño de TPS se centran en la gestión térmica de la nave espacial; no hay requisitos para la protección de los otros elementos de la nave espacial contra daños por polvo.

Esto fue una especie de exageración y parece haber sido eliminado.

¡Súper! Gracias por tomarse el tiempo para agregar esta respuesta. Hay otra pregunta sin respuesta en Physics SE que podría interesarle; Parker Solar Probe pasando extremadamente cerca del Sol; ¿Qué efectos relativistas experimentará y qué tan grandes serán?
Desafortunadamente, no tengo el conocimiento o la experiencia básicos para responder esa pregunta, ¡pero conozco personas que sí los tienen! Si tengo la oportunidad paso la pregunta. El área en la que esto es más importante es el cronometraje de las naves espaciales, y contamos con una persona muy bien informada en el equipo que se especializa específicamente en esta área.
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