Может ли космический аппарат пройти через солнечную корону и не разрушиться под воздействием экстремальных температур? NASA создало зонд Parker Solar Probe именно для этой цели.
Запущенный в 2018 году аппарат приблизился к Солнцу ближе любого другого рукотворного объекта и стал первым космическим аппаратом, пролетевшим через верхние слои его атмосферы. Полученные данные позволили ученым изучить солнечный ветер и процессы, происходящие в непосредственной близости от нашей звезды, с беспрецедентной подробностью.
Идея отправить космический аппарат к Солнцу появилась еще на заре космической эры. В октябре 1958 года — в том же месяце, когда начало работу Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), — Совет по космическим исследованиям Национального исследовательского совета США рекомендовал разработать миссию для отправки аппарата к Меркурию. Ее задачей должно было стать измерение частиц и магнитных полей вблизи Солнца.
В том же году астрофизик Чикагского университета Юджин Паркер опубликовал новаторскую теорию солнечного ветра. Он предположил, что чрезвычайно горячая солнечная корона непрерывно расширяется, создавая поток заряженных частиц, распространяющихся по Солнечной системе. Поначалу теория вызывала споры, однако вскоре наблюдения космических аппаратов подтвердили существование солнечного ветра.
В последующие десятилетия ученые и инженеры изучали различные варианты конструкции солнечного зонда. Первые проекты предусматривали использование гравитационного маневра у Юпитера. В 2007 году предложили альтернативный вариант, основанный на многократных сближениях с Венерой. Такой подход позволял постепенно уменьшать орбитальную энергию аппарата и совершать многочисленные пролеты в непосредственной близости от Солнца. Переработанная миссия получила название Solar Probe Plus.
В 2017 году NASA переименовало Solar Probe Plus в Parker Solar Probe — в честь Юджина Паркера. Это стала первая миссия NASA, названная в честь человека, который на тот момент был жив. Паркеру был 91 год, когда 12 августа 2018 года он наблюдал за запуском аппарата во Флориде.
Как зонд выдерживает экстремальный нагрев вблизи Солнца
Стартовая масса Parker Solar Probe составляла около 685 килограммов. Главный элемент его защиты — система теплозащиты Thermal Protection System (TPS), в основе которой лежит теплозащитный экран диаметром около 2,4 метра. Толщина экрана составляет примерно 11,4 сантиметра. В его конструкции используется углеродный композит с сердцевиной из углеродной пены, заключенной между внешними слоями углерод-углеродного материала. Обращенная к Солнцу поверхность покрыта специально разработанным белым керамическим составом, который отражает максимально возможную долю солнечного излучения.
Во время наиболее близких сближений поверхность экрана может нагреваться почти до 1370°C. При этом за ним температура корпуса аппарата поддерживается на уровне примерно 29°C.
Однако одной теплозащитой дело не ограничивается. У Parker Solar Probe предусмотрена и система охлаждения солнечных батарей. По контуру панелей и радиаторов циркулирует около 3,8 литров деионизированной воды под давлением.
По мере приближения к Солнцу большая часть солнечных панелей убирается в тень теплозащитного экрана. Снаружи остается лишь небольшая часть, необходимая для выработки электроэнергии. Циркулирующая вода помогает отводить тепло и предотвращает перегрев открытых участков.
Не менее важно, чтобы аппарат постоянно сохранял правильную ориентацию: теплозащитный экран должен быть направлен точно на Солнце. Для этого по краю его тени установлены семь датчиков. Если один из них обнаруживает прямое солнечное излучение, бортовой компьютер автоматически корректирует положение аппарата, возвращая чувствительные приборы и оборудование в защищенную область.
Кроме нагрева, зонд сталкивается с радиацией, высокоэнергетическими частицами и быстрыми пылевыми частицами. Поэтому его приборы и электронные системы разработаны с учетом этих угроз, а материалы прошли испытания на устойчивость к суровым условиям вблизи Солнца.
При этом некоторые научные инструменты, например чашка Фарадея Solar Probe Cup, выступают за пределы теплозащитного экрана. Это позволяет им непосредственно измерять характеристики частиц солнечного ветра.
Путешествие Parker Solar Probe
Parker Solar Probe движется по сильно вытянутой эллиптической орбите вокруг Солнца. Первый гравитационный маневр у Венеры состоялся 3 октября 2018 года, примерно через семь недель после запуска. Уже 5 ноября аппарат совершил первое тесное сближение со звездой, приблизившись к ее поверхности примерно на 24 миллиона километров. В январе 2019 года зонд завершил первый полный оборот вокруг Солнца.
Всего Parker выполнил семь запланированных гравитационных маневров у Венеры. В отличие от миссий, использующих планеты для увеличения орбитальной энергии, Parker при каждом сближении передавал часть своей энергии Венере. Это постепенно уменьшало его орбиту и позволяло подходить к Солнцу все ближе.
28 апреля 2021 года аппарат пересек критическую поверхность Альфвена и впервые достоверно вошел в верхние слои солнечной атмосферы. В этот момент зонд находился примерно в 13 миллионах километрах над поверхностью Солнца. Приборы зарегистрировали изменения магнитного поля и характеристик частиц, подтвердившие пересечение границы. NASA объявило об этом достижении в декабре 2021 года, после анализа полученных данных.
4 сентября 2026 года Parker совершил свое 29-е тесное сближение с Солнцем. Аппарат вновь подошел к поверхности звезды примерно на 6,1 миллиона километров, двигаясь со скоростью около 692 000 километров в час. Оба рекорда — максимальной скорости среди рукотворных объектов и минимального расстояния до Солнца — впервые были установлены во время сближения 24 декабря 2024 года.
В июне 2025 года Parker выполнил 24-е и последнее тесное сближение, предусмотренное первоначальным семилетним планом миссии. После рассмотрения результатов в рамках программы NASA Heliophysics Senior Review в 2026 году миссию продлили до 2029 года.
Зонд продолжает собирать данные, пока солнечная активность проходит поздние этапы текущего солнечного цикла.
Одна из главных задач миссии — помочь ученым разгадать две давние загадки физики Солнца. Первая заключается в том, почему температура короны в сотни раз превышает температуру видимой поверхности звезды. Вторая — в том, какие механизмы нагревают и ускоряют солнечный ветер по мере его удаления от Солнца. Эти вопросы имеют не только теоретическое, но и практическое значение для Земли и космической деятельности. Солнечная активность вызывает космическую погоду, способную влиять на спутники и радиосвязь. Мощные солнечные события могут также нарушать работу электрических сетей и подвергать астронавтов повышенному радиационному воздействию. Более точные данные о солнечном ветре и выбросах вещества непосредственно в местах их возникновения помогут ученым совершенствовать модели, используемые для понимания и прогнозирования подобных явлений.
Автор: Олег Гончар