När NASA:s rymdfarkost Parker Solar Probe börjar sitt första historiska möte med solens korona i slutet av 2018 – flygande närmare vår stjärna än något annat uppdrag i historien – kommer ett revolutionerande kylsystem att hålla sina solpaneler på topp, även under extremt fientliga förhållanden.

Varje instrument och system ombord på Parker Solar Probe (med undantag av fyra antenner och en speciell partikeldetektor) kommer att döljas från solen bakom ett banbrytande termiskt skyddssystem, eller TPS – en sköld med en diameter på åtta fot som rymdfarkosten använder för att försvara sig mot den intensiva värmen och energin från vår stjärna.

Varje system kommer att skyddas, det är, förutom de två solpaneler som driver rymdfarkosten. När rymdfarkosten är närmast solen, solarrayerna kommer att ta emot 25 gånger den solenergi de skulle få när de kretsar runt jorden, och temperaturen på TPS kommer att nå mer än 2, 500 grader Fahrenheit. Kylsystemet kommer att hålla arrayerna vid en nominell temperatur på 320°F (160°C) eller lägre.

"Våra solpaneler kommer att fungera i en extrem miljö som andra uppdrag aldrig har opererat i tidigare, sa Mary Kae Lockwood, rymdfarkostsystemingenjören för Parker Solar Probe vid Johns Hopkins Applied Physics Lab.

Nya innovationer för att överleva infernot

De allra yttersta kanterna på solpanelerna är böjda uppåt, och när rymdfarkosten är närmast solen, dessa små delar av array kommer att förlängas bortom skyddet av TPS för att producera tillräckligt med kraft för rymdfarkostens system.

Den otroliga värmen från vår stjärna skulle skada konventionella rymdfarkoster. Så, liksom många andra tekniska framsteg skapade speciellt för detta uppdrag, ett första i sitt slag aktivt kylt solpanelssystem utvecklades av APL, i samarbete med United Technologies Aerospace Systems, som tillverkade kylsystemet, och SolAero Technologies, som producerar solpanelerna.

"Det här är helt nytt, " Lockwood sa om innovationerna relaterade till det aktivt kylda solarraysystemet. "NASA finansierade ett program för Parker Solar Probe som inkluderade teknisk utveckling av solpanelerna och deras kylsystem. Vi arbetade nära med våra partners på UTAS och SolAero för att utveckla dessa nya funktioner, och vi kom fram till ett mycket effektivt system."

Parker Solar Probe kylsystem har flera komponenter:en uppvärmd ackumulatortank som kommer att hålla vattnet under lanseringen ("Om vatten fanns i systemet, det skulle frysa, " sa Lockwood); tvåväxlade pumpar; och fyra radiatorer gjorda av titanrör och sportiga aluminiumfenor bara två hundradels tum tjocka. Som med all kraft på rymdfarkosten, kylsystemet drivs av solpanelerna – just de system som det behöver för att hålla det svalt för att det ska fungera. Vid nominell driftskapacitet, systemet ger 6, 000 watt kylkapacitet – tillräckligt för att kyla ett medelstort vardagsrum.

Något överraskande, kylvätskan som används är inget annat än vanligt tryckvatten - ungefär fem liter, avjoniseras för att avlägsna mineraler som kan förorena eller skada systemet. Analyser visade att under uppdraget, kylvätskan skulle behöva arbeta mellan 50°F och 257°F — och få vätskor kan hantera dessa områden som vatten. "En del av NASA:s teknologidemonstrationsfinansiering användes av APL och våra partners på UTAS för att kartlägga en mängd olika kylvätskor, " sa Lockwood. "Men för det temperaturintervall vi krävde, och för massbegränsningarna, vatten var lösningen." Vattnet kommer att trycksättas, vilket kommer att höja sin kokpunkt över 257°F.

Solpanelerna har sina egna tekniska innovationer. "Vi lärde oss mycket om solpanelens prestanda från den [APL-byggda] rymdfarkosten MESSENGER, som var den första att studera Merkurius, " sade Lockwood. "I synnerhet, vi lärde oss hur man designar en panel som skulle mildra nedbrytning från ultraviolett ljus."

Täckglaset ovanpå solcellerna är standard, men hur värmen överförs från cellerna till panelens substrat, plattan, är unik. En speciell keramisk bärare skapades och löddes fast i botten av varje cell, och sedan fäst vid plattan med ett speciellt valt termiskt ledande lim för att tillåta den bästa värmeledningen in i systemet samtidigt som den nödvändiga elektriska isoleringen tillhandahålls.

Från is till eld:Lanseringsutmaningar

Medan solens extraordinära värme kommer att vara rymdfarkostens mest intensiva utmaning, minuterna omedelbart efter uppskjutningen är faktiskt en av rymdfarkostens mest kritiska tidiga prestandasekvenser.

När Parker Solar Probe skickas ombord på en ULA Delta IV Heavy raket från Cape Canaveral Air Force Station i Florida sommaren 2018, kylsystemet kommer att genomgå stora temperatursvängningar. "Det finns mycket att göra för att se till att vattnet inte fryser, sa Lockwood.

Först, Temperaturen på solpanelerna och kylsystemets radiatorer kommer att sjunka från den i kåpan (cirka 60°F) till temperaturer från –85°F till –220°F innan de kan värmas upp av solen. Den förvärmda kylvätsketanken kommer att förhindra att vattnet fryser; de specialdesignade radiatorerna – designade för att avvisa värme och intensiva temperaturer vid solen – kommer också att överleva denna bittra kyla, tack vare en ny bindningsprocess och designinnovationer.

Mindre än 60 minuter senare, rymdfarkosten kommer att separera från bärraketen och påbörja sekvensen efter separation. Den kommer att rotera sig själv för att peka mot solen; solpanelerna kommer att frigöras från sina lanseringslås; arrayerna kommer att rotera för att peka mot solen; en spärrventil öppnas för att släppa ut det varma vattnet i två av de fyra radiatorerna och solpanelerna; pumpen slås på; rymdfarkosten kommer att rotera tillbaka till en nominell pekande orientering, värma upp de två kallaste och oaktiverade radiatorerna; och ström från de kylda solcellspanelerna börjar ladda batteriet.

I en annan första, denna komplexa och kritiska serie uppgifter kommer att slutföras autonomt av rymdfarkosten, utan någon input från uppdragskontrollen.

Vattnet för de två oaktiverade radiatorerna kommer att finnas kvar i lagringstanken under de första 40 dagarna av flygningen; efter det, de två sista radiatorerna kommer att aktiveras.

"En av de största utmaningarna med att testa detta är övergångarna från mycket kallt till mycket varmt på kort tid, " sa Lockwood. "Men de där testerna, och andra tester för att visa hur systemet fungerar under en fullt uppvärmd TPS, korrelerade ganska bra med våra modeller."

Tack vare testning och modellering, teamet studerade data och ökade termisk täckning på de två första radiatorerna som skulle aktiveras, för att balansera maximera sin kapacitet i slutet av uppdraget, och ytterligare minska risken för att vatten fryser tidigt i uppdraget.

Håller sig svalt, självständigt

När Parker Solar Probe susar förbi solen vid cirka 450, 000 miles i timmen, det kommer att vara 90 miljoner miles från uppdragskontrollanter på jorden – för långt för teamet att "köra" rymdfarkosten. Detta innebär att justeringar av hur rymdfarkosten skyddar sig själv med TPS måste hanteras av Parker Solar Probes ombord styr- och kontrollsystem. Dessa system använder ny och effektiv autonom programvara för att tillåta rymdfarkosten att omedelbart ändra sin riktning för att maximera skyddet mot solen. Denna autonoma förmåga är avgörande för driften av rymdfarkostens solpaneler, som ständigt måste justeras för optimal vinkel när Parker Solar Probe susar genom solens hårda, överhettad corona.

"Under solmöten, mycket små förändringar i vingvinkeln på solpanelen kan avsevärt förändra kylkapaciteten som behövs." Lockwood sa att en ändring på en grad i arrayvinkeln på en vinge skulle kräva 35 procent mer kylkapacitet.

Den ständiga utmaningen är att se till att rymdfarkosten och arrayerna håller sig svala.

"Det finns inget sätt att göra dessa justeringar från marken, vilket betyder att den måste styra sig själv, " sa Lockwood. "APL utvecklade en mängd olika system – inklusive kontroll av vingvinkeln, vägledning och kontroll, elkraftsystem, flygelektronik, felhantering, autonomi och flygprogramvara – det är viktiga delar som arbetar med solpanelens kylsystem."

Lockwood lade till:"Denna rymdfarkost är förmodligen ett av de mest autonoma systemen som någonsin flugits."

Den autonomin, tillsammans med det nya kylsystemet och banbrytande uppgraderingar av solpaneler, kommer att vara avgörande för att säkerställa att Parker Solar Probe kan utföra de aldrig tidigare möjliga vetenskapliga undersökningarna vid solen som kommer att svara på frågor som forskare har haft om vår stjärna och dess korona.