随着NASA的帕克太阳探测器航天器于2018年底首次与太阳的日冕相遇-比历史上任何其他飞行任务都更靠近我们的恒星-革命性的冷却系统将使其太阳能电池阵列保持最高性能，即使在极端敌对状态条件。
派克太阳能探测器上的所有仪器和系统(四个天线和一个特殊的粒子探测器除外)都将被一个突破性的热保护系统(TPS)遮盖住，该系统是航天器使用的八英尺直径的防护罩捍卫自己免受我们恒星强烈的热量和能量的伤害。
每个系统都将受到保护，也就是说，除了为飞船供电的两个太阳能电池阵列以外。当航天器最靠近太阳时，太阳电池阵列将接收到的25倍于绕地球轨道飞行时的太阳能，而TPS上的温度将超过2500°F(1,370°C)。冷却系统将使阵列保持在320°F(160°C)或更低的标称温度下。
约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的帕克太阳能探测器航天器系统工程师玛丽·凯·洛克伍德说：“我们的太阳能电池板将在其他任务从未有过的极端环境中运行。”
生存地狱的新创新
太阳电池阵列的最外边缘向上弯曲，当航天器最靠近太阳时，这些小的阵列条将延伸到TPS的保护范围之外，从而为航天器的系统产生足够的功率。
我们的恒星令人难以置信的热量会损坏常规的航天器阵列。因此，与专为这项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宇航系统公司(UTAS)合作开发了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(生产太阳能电池板)。
洛克伍德在谈到与主动冷却的太阳能电池阵列系统有关的创新时说：“这是全新的。” “ NASA为Parker Solar Probe资助了一项计划，该计划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的合作伙伴紧密合作，开发了这些新功能，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由几个部分组成：一个蓄热的储水箱，它将在发射期间容纳水(“如果系统中有水，它将冻结”，洛克伍德说);两速泵;以及四个由钛管(不会腐蚀)和运动铝翅片制成的散热器，其厚度仅为百分之一英寸。与航天器上的所有电源一样，冷却系统由太阳能电池板供电-太阳能电池板需要保持冷却以确保其运行。在正常工作容量下，该系统可提供6,000瓦的冷却能力-足以冷却中等大小的客厅。
令人惊讶的是，所使用的冷却液仅是普通的加压水-大约5升，去离子后去除了可能污染或损害系统的矿物质。分析表明，在执行任务期间，冷却液将需要在50°F(10°C)至257°F(125°C)之间运行-几乎没有液体可以像水那样处理这些范围。洛克伍德说：“ APL和我们在UTAS的合作伙伴使用了NASA技术示范资金的一部分，”洛克伍德说。“但是对于我们要求的温度范围和质量限制，水是解决方案。” 水将被加压，这将使其沸点升至257°F以上。
太阳能电池板具有自己的技术创新。洛克伍德说：“我们从APL制造的MESSENGER航天器中学到了很多关于太阳能电池阵列的性能，这是第一个研究水星的航天器。” “特别是，我们学会了如何设计一种面板，以减轻紫外线的降解。”
光伏电池顶部的盖玻片是标准配置，但是热量从电池传递到面板基板(压板)的方式是独特的。创建了一种特殊的陶瓷载体，并将其焊接到每个电池的底部，然后使用特别选择的导热粘合剂将其附着到压板上，以在提供所需的电绝缘的同时，将最佳的导热性传导到系统中。
从冰到火：发起挑战
尽管太阳的非凡热量将是航天器最严峻的挑战，但发射后紧接的分钟实际上是航天器最关键的早期性能序列之一。
当派克太阳能探测器于2018年夏季从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的ULA Delta IV重载火箭发射升空时，冷却系统将经历大范围的温度波动。洛克伍德说：“要确保水不会结冰，还有很多事情要做。”
首先，太阳能电池板和冷却系统散热器的温度将从整流罩中的温度(大约60°F或15°C)降至-85°F至-220°F(-65°C至-140) °C)，然后再将其加热。预热的冷却液箱可防止水结冰;得益于新的粘合工艺和设计创新，经过特殊设计的散热器(旨在抵抗太阳的高温和高温)也将在严酷的寒冷中幸免。
不到60分钟后，航天器将与运载火箭分离并开始后分离序列。它会旋转以指向太阳。太阳能电池板将从发射锁定中释放;阵列将旋转以指向太阳;闩锁阀将打开，将热水释放到四个散热器和太阳能电池阵列中的两个中;泵将打开;航天器将旋转回标称指向方位，从而预热两个最冷且未激活的辐射器;来自冷却的太阳能电池阵列的电能将开始为电池充电。
首先，这复杂而关键的一系列任务将由航天器自动完成，而无需任务控制的任何输入。
在飞行的前40天中，两个未激活的散热器的水将保留在储水箱中;之后，最后两个散热器将被激活。
洛克伍德说：“测试的最大挑战之一是在短时间内从非常冷到非常热的转变。” “但是那些测试以及其他显示系统在完全加热的TPS时如何工作的测试与我们的模型非常相关。”
通过测试和建模，该团队研究了数据并增加了要激活的前两个散热器的隔热层，以平衡任务结束时的最大能力，并进一步降低任务初期结冰的风险。
保持凉爽
当Parker Solar Probe以每小时约450,000英里(724,000 KPH)的速度刺入太阳时，它将与地球上的任务控制人员相距9000万英里，这对团队“驱动”航天器而言太遥远。这意味着，Parker Solar Probe的机载制导和控制系统需要对航天器通过TPS保护自身的方式进行调整。这些系统使用新型有效的自主软件，使航天器能够立即改变其指向，从而最大程度地保护太阳。这种自主能力对于航天器的太阳能电池阵列的运行至关重要，随着帕克太阳能探测器越过太阳的苛刻，过热的日冕，必须不断调整其角度以获得最佳角度。
“在遇到太阳的过程中，太阳电池阵列的机翼角度很小的变化就会极大地改变所需的冷却能力。” 洛克伍德说，一个机翼的排列角度每改变1度，就需要增加35%的冷却能力。
持续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，这意味着它必须自我指导。” “ APL开发了各种系统-包括机翼角控制，制导和控制，电力系统，航空电子设备，故障管理，自主性和飞行软件-这些是与太阳能电池阵列冷却系统一起工作的关键部分。”
洛克伍德补充说：“这艘航天器可能是有史以来飞行最自主的系统之一。”