The Engineering of Spacecraft for Sample Collection on Volative-Rich elinten

Haihtuvat runsaasti taivaallisia elimiä. Komeet, jääkuut ja alkukantaiset asteroidit.Nämä materiaalit ovat ehjiä jään jään jää, metaani, ammoniakki ja monimutkaiset orgaaniset yhdisteet. Nämä materiaalit ovat koskemattomia jäänteitä aurinkokunnasta.Nämä ovat muodostelma, jossa on vihjeitä veden ja orgaanisen kemian alkuperästä Maassa. Näytteiden kerääminen näistä esineistä edellyttää avaruusalusten suunnittelua, joka työntää lämpöhallinnan rajoja, kontaminaation valvontaa ja näytteiden säilyttämistä. NASA....

Haihtuvien ja rikasten ympäristöjen ainutlaatuiset haasteet

Haihtuvat ja runsaat elimet ovat yhdistelmä äärimmäisiä olosuhteita harvoin löytyy yhdessä muualla: mikropainovoima, vaikea kylmä, hauraita ilmakehät tai eksosfereesi, ja pinnat, jotka voivat olla hauraita, pörröisiä, tai peitetty sublimating jäät. Insinöörien on suunniteltava avaruusalus, joka ei vain hengissä ja toiminnassa, mutta myös kerätä koskemattomia näytteitä muuttamatta niiden haihtuvaa sisältöä.

Matalan harsuuntumisasteen toiminnot ja ankkurointi

Komeetoilla ja pienillä jääkuun kuuilla on hyvin alhainen pintapaino.Toinen osa Maapallosta on muutamia prosentti. Standardit laskeutumisjalat tai robottivarret, jotka on suunniteltu suuremmille vartaloille, eivät ehkä toimi; avaruusalus voi pomppia pois tai ajelehtia pois. Ratkaisut sisältävät harppuunankaltaisia ankkureita, jääruuveja ja pehmeälaskulaitteita, joilla on aktiivisia työntöpotkureita, joilla voidaan pitää yhteyttä. SEAT.s Philae Lander komeetalle 67P/Churyumov.Gerasimenko käytti harppuunoita ja laskutelineitä, vaikkakin viat nostivat pintaa hetkellisesti esiin kerätessään materiaalia. Tulevaisuuden näytteenottotehtävät ovat tutkimassa ice-screw-ankkurointi[ ja kontakti-ja-o-näytteenotto, jossa avaruusalus on kiinnitetty pintaan.

Lämpötilan ääri- ja lämpösäätö

Haihtuvat ja runsaat rungot voivat olla yhtä kylmät kuin .200 °C (73 K) varjoisilla alueilla tai suurilla heliocentreillä. Samaan aikaan jotkut komeetat kokevat nopeaa lämpenemistä lähestyessään aurinkoa. Lämpö-ohjausjärjestelmien on suojattava herkkä elektroniikka ja instrumentit ja säilytettävä samalla kerättyjen näytteiden haihtuva sisältö. Monikerroksinen eristys, radioisotooppiset lämmitinyksiköt (RHU) ja vaihevaihtomateriaalit ovat yleisiä. Näytekeräystyökalun on oltava esijäähdytetty tai lämmitetty, jotta jään sulaminen tai kondensaatio voidaan estää. [Rosetta-orbiteeri[]] on käytetty passiivista lämpösuunnittelua, jossa on louvaajia ja heijastavia pinnoitteita, jotta lämpötila pysyy vakaana vuosikymmenen ajan.

Saastuminen ja planeettojen suojelu

Haihtuvat näytteet ovat erittäin herkkiä kontaminaatiolle avaruusalusten kaasujen, mikrobiitiöiden tai jäännöskemikaalien. Kiinteä planeettasuojausprotokollat koskevat erityisesti elimiä, jotka saattavat säilyttää merkkejä menneisyydestä tai nykyelämästä, kuten Enceladus tai Europa. Avaruusalukset kootaan puhtaisiin tiloihin, paistetaan hiilivetyjen vähentämiseksi ja steriloidaan tarvittaessa. Näytesäiliöt on suljettu useisiin kerroksiin, jotta estetään maan saastuminen ja estetään haihtuvien aineiden pääsy laukaisun ja paluun aikana.

Näytteenottotekniikat: Kosketuksesta syväporaukseen

Näytteenottomenetelmän valinta riippuu kehon pintaominaisuuksista ja tieteen tavoitteista. Löyhilevän regolithin pintakeräys on suhteellisen suoraviivaista, mutta pinnan alla jään tai orgaanisesti runsaan materiaalin hankkiminen vaatii enemmän invasiivisia työkaluja.

Pintanäytteenotto Scoops and Arms -kahvilla

Robottipallot ja tarttujat voivat kerätä pölyisissä tai rakeisissa pinnoissa olevia vartaloja suoraan. Stardust-alus käytti aerogelin kaltaista melontaa komeetan keräämiseen ajettaessa 6,1 km/s. Vaikka tällaiset menetelmät soveltuvatkin pieniin hiukkasiin, ne eivät sovellu yhtä hyvin haihtuvien jään keräämiseen ilman hajoamista. Modernit mallit sisältävät [OSIRIS-REx]-tyylisen kosketus- ja go-näytteen hankintamekanismin (TAGSAM), joka käyttää paineistettua typpikaasua hiukkasten puhaltamiseen keräyskammioon, vaikka tämä tehtävä kohdistui asteroidiin pikemminkin kuin haihtuvaan rikas runkoon.

Porat ja kuoret pinnanalaiseen kulkuun

Pinnassa haihtuvia ja runsaasti ruumisaineita säilytetään usein avaruuden sään ja auringon säteilyn suojaamana. Porat, ytimet tai kryogeeniset augerit ovat tarpeen jääkuorten läpäisemiseen. [Philae Lander[] kantoi poraa, joka on suunniteltu poistamaan komeettojen pinnasta ydintä jopa 23 cm syvälle, mutta se ei toiminut tehorajoitteiden vuoksi. Myöhemmissä tutkimuksissa on ehdotettu lämmitettyjä poroja tai pyöriviä ytimen osia, jotka voivat toimia erittäin kylmässä tyhjiössä. Suunniteltu Comet Pintanäytteen palautus[] missiot vision porat aktiivisella kuumentamalla sulavat jäiset kuoret samalla kun keräävät sulaa vettä ja kiinteitä aineita.

Touch-and-go haihtuvien aineiden näytteenotto

Lupaava lähestymistapa haihtuvia-rikas vartalot on kosketus-ja-go (TAG) näytteenotto yhdistettynä kryogeeniseen kokoelmaan. Avaruusalus lähestyy pintaa, laajentaa näytteenottotorvea tai käsivarsi, ja ampuu ammus tai käyttää pneumaattinen järjestelmä kaapata materiaali lyhyen kosketuksen, joka kestää vain muutaman sekunnin. Tämä minimoi lämpöhäiriöt ja vähentää riskiä avaruusalusten kontaminaation. JAXA...s Hayabusa2 käytti vaihtelua asteroidi Ryugu, ja vastaavia periaatteita mukautetaan komeettoja Comet Astrobiology Exploration Sample Return (CAESAR)[] operaation konsepti. CAESAR keräisi pintanäytteen comet 67P käyttäen erillistä näytteenottopää, joka hylkii heti hankinnan jälkeen.

Näytteen säilyttäminen ja palauttaminen

Keräyksen jälkeen haihtuvien rikas näytteiden on pysyttävä kylmänä ja suljettuna kunnes ne saapuvat Maan laboratorioihin. Jopa lyhyt altistuminen avaruusalusten lämmölle tai Maan ilmakehään aiheuttaisi sublimaation, kemiallisen muutoksen tai saastumisen.

Kryogeeniset säiliöt

Erikoistuneet näytteen palautuskanisterit kehitetään pitämään alle ...180°C:n lämpötilat tyhjissä lämpötiloissa käyttäen passiivisia kryojäähdyttimiä, höyryjäähdytettyjä suojakilpiä tai jopa pieniä aktiivisia kryojäähdyttimiä. Yksi konsepti käyttää []cryo-viaalia[[]]] tyhjiöeristetyssä kotelossa, joka voidaan irrottaa avaruusaluksesta ja sijoittaa Maan sisääntulokapseliin. Jos operaatioita, kuten Enceladus luumun palaamista, säiliön olisi pysyttävä alle ...200 °C koko risteilyvaiheessa, mahdollisesti käyttämällä matalajohtavuustukien ja monikerroksisen eristysten yhdistelmää.

Kontaminaation hallinta kapselissa

Näytekapselin on oltava ilmatiiviisti suljettu, jotta estetään kaasujen tai hiukkasten vaihtaminen. Kapselin palattua se siirretään nopeasti puhtaaseen tilaan, jossa on kryogeeniset hanskalaatikot. [] Tähtipölyn palamiskapseli[] osoittautui onnistuneeksi kometiikkapölyn tiivistymisessä, vaikka aerogeelin keräintä ei ole suunniteltu haihtuville jäälle. Tulevaisuudessa räjähdettä varten käytetään metallisinettejä ja kaksiseinäisiä säiliöitä, joissa on murtumislevyjä, jotta jäännöskaasusta muodostuisi painetta vaarantamatta näytteen eheyttä.

In-Situ-analyysi täydennyksenä

Koska näytteen palautus on kallista ja teknisesti vaativaa, moniin tehtäviin kuuluu myös massaspektrometrit, kaasukromatografit ja muut välineet haihtuvien aineiden analysoimiseksi paikan päällä. Tämä tarjoaa välitöntä tietoa ja auttaa validoimaan näytteenkeruun menettelyt. [Rosetta-orbiter [] ROSINA-instrumentti mittasi komeetan haihtuvan koostumuksen suoraan, kun taas Philae-laskeutuja ja COSAC-instrumentit suorittivat kaasuanalyysin. Tällaiset tiedot rikastuttavat palanneita näytteitä ja auttavat suunnittelemaan tulevia kokoelmia.

Tulevaisuuden Suunnat haihtuvien rikas näytekokoelma

Useiden tulevien operaatioiden tavoitteena on soveltaa ja edistää näitä teknisiä periaatteita.

Comet Interceptor

ESA.s Comet Interceptor (käynnistetään vuonna 2029) vierailee dynaamisesti uudessa komeetassa, joka tulee Oort Cloudista. Se ottaa käyttöön kaksi aliavaruusalusta lentämään komeetan ohi ja kerää pöly- ja kaasunäytteitä iskuihin perustuvilla keräimillä. Vaikka se ei palauta näytteitä Maahan, se testaa nopeaa lentomatkan keruuta ja säilytystekniikoita, jotka ovat tärkeitä tulevan näytteen palauttamisen kannalta.

Enceladus- ja Europa Plume -näytteenotto

Saturnus Moon Enceladus poistaa vesihöyryn ja orgaaniset hiukkaset kryovolkaanisten luumujen kautta. NASA. Enceladus Orbilander[] konsepti ehdottaa kiertorataa kuun ja laskeutumisen jälkeen kerätä luumun materiaalia. Tällainen tehtävä vaatisi erittäin herkkä näytteen käsittely kaapata haihtuvia orgaanisia aineita ja aminohappoja jäädyttämättä tai sublimoimatta niitä. Aktiivinen keräys käyttäen sähkökenttiä tai tahmeita pintoja on ehdotettu, sekä välitön sulkeminen kryo-locker.

Jäänalainen valtamerten alikäyttö

Pitkän aikavälin käsitteitä engineering poraaminen jäänkuorten ... kilometre-ohut Europa... päästä nestemäisen veden valtameriä. Vaikka paljon nykyisellään valmiuksia, tutkimus kuuma-tippi porat, ydinkäyttöinen sula luotaimet, ja autonominen näytteenotto jatkuu.

Päätelmät

Avaruusalusten suunnittelu näytteen keruun haihtuvia-rikasta runkoa on monimutkainen vuorovaikutus lämpötieteen, mekaaninen suunnittelu, saastumisen valvonta, ja missio arkkitehtuuri. Jokainen tehtävä. Stardust ja Rosetta tulevat Comet Interceptor ja Enceladus näytepalautteen.Pushes rajat, mikä on mahdollista. Näytteet he hakevat eivät ole vain kiviä ja jäätä; ne ovat aikakapseleita alusta aurinkokunnan. Koska nämä teknologiat kypsyvät, me tuuma lähempänä vastata peruskysymyksiin siitä, miten vesi ja orgaaniset molekyylit toimitetaan Maahan voi olla kylvetty elämä. Tekninen innovaatiot, joita tarvitaan kerätä ja säilyttää haihtuvia syvällä avaruudessa ovat yksi haastavimmista ja palkitsevia kaikessa avaruustutkimus.