Table of Contents
עיצוב מערכת השמש
העיצוב של מערכות תרמיות למשימות פני הירח הוא אחד האתגרים ההנדסתיים המורכבים ביותר בחקר החלל.סביבת הירח - המאופיינת על ידי תנודות טמפרטורה קיצוניות, ואקום קשה, regolith, ותקופות ארוכות של חושך - דורש פתרונות בקרה תרמיים כי הם חזקים וקלים כאחד, בניגוד לכדור הארץ, שבו אווירה מתונה תנודות טמפרטורה, פני הירח רואים טמפרטורות נדנדה מעל 300 מעלות ביממה, או כל ציוד שיכול לפעול על פני כדור הארץ.
מערכות בקרה ארסיות (TCS) אחראיות לשמירה על כל הרכיבים בטווחי הטמפרטורה האפשריים שלהם.זה כולל הכל מסוללות ואלקטרוניקה מערכות תמיכה בחיים וחומרים מבניים.כישלון ב-TCS יכול להוביל לנזק בלתי הפיך, עיכובים משימה, או אפילו אובדן החיים.כסוכנויות חלל גלובליות וחברות מסחריות להתכונן לנוכחות ירח מתמשכת באמצעות תוכניות כמו ארטמיס, הצורך עבור פיתוח מתקדם, תרמית, מעולם לא חקרו את האתגרים העיקריים של עיצוב, עיצוב.
אתגרים של הסביבה הרכה
שינויים בטמפרטורות קיצוניות
האתגר הבולט ביותר הוא טווח הטמפרטורה המזעזע על הירח.במשך היום הירח, שנמשך כ-14 ימי כדור הארץ, פני השטח העומדים בפני השמש יכולים להגיע ל-FLT:012 ° C (260 °F)FLT:1 ברגע שהשמש שוקעת, פני השטח מתקררים במהירות, וטמפרטורות הלילה יורדות ל-FLT:2-17 ° C (260 ° F) LT 3:3 לעתים קרובות כל יום, כלומר, חום עצום, בין 29.5 ימים, חום, כל יום, חום, יש צורך לרוץ במהירות, חום, חום, בין חום, בין 29.5 ימים.
חוסר אטמוספירה להסכמה
ללא אווירה משמעותית, הירח אינו מציע אמצעי קירור אחיד או התנהגותי מוגבל לקרינה (פליטה בלתי מוגבלת) והתנהלות ישירה באמצעות מגע עם פני השטח. רדיטורים על כדור הארץ תועלת מקירור אוויר, אבל על הירח הם חייבים להסתמך לחלוטין על דחיית חום רדיואקטיבית ברקע החלל הקר (FLT:03 KLT) 1:1 זה הופך את הרדיואקטיביסט שלהם, יתר על פני השטח הקריפטטיבי, יותר, יותר, וכו 'מפלקס', יותר מאשר קרינה אלקטרו-מכת, מסובבת, וכו', מסבך, מקרינה, מקרינה, מקרינה, יותר, וכו'.
אופניים חמים
בכל מחזור יום הירח נושאים חומרים ומפרקים כדי לחזור על הרחבה תרמית והתכווצויות.על פני מחזורים רבים, זה יכול להוביל עייפות, מיקרו-צריפים, וכישלון של חותם, מפרקים מוכרים ומבנים מורכבים.רכיבי המערכת הארומאליים חייבים להיות מעוצבים עבור אלפי מחזורים כאלה, במיוחד עבור משימות ארוכות-דור שמטרתן לפעול באמצעות לילות מרובים.
בסביבה הקרובה של Thermal Environments
לא כל המקומות על הירח הם אותם אזורים צללים לצמיתות (PSRs) ליד הקוטבים יכול להיות קר כמו FLT:0-230 מעלות צלזיוסFLT:1, בעוד שיאי השמש חווים תאורה ממושכת. הקוטב הדרומי הירח, המיועד לנחיתות ארטמיס, מציג סביבה מעורבת: כמה אזורים מקבלים אור שמש קרוב-צפוי, בעוד מכתשים סמוכים הם קבועים במערכות צלליות, לעתים קרובות, הן עבור קוטב עמוק בתוך קרקעית, יש להתמודד עם אותה מישורים.
תגיות קשורות Lunar Thermal Systems
מערכת ניהול תרמי הירח בנוי ממספר תת-מערכות חיוניות.כל רכיב חייב להיות שנבחר בקפידה ושילוב כדי לעמוד בדרישות המשימה.
בידוד
בידוד רב-שכבות (MLI) הוא סוס העבודה של שליטה תרמית של חלליות. mLI שמיכה מורכבת משינוי שכבות של חסמים רפלקטיביים (למשל, קטון אלומיניום) מופרד על ידי חללים נמוכים-מוליכים למחצה.הם להפחית באופן דרסטי את העברת חום רדיואקטיבית.על הירח, MLI חייב להיות מספיק חזק כדי לעמוד בפני חץ אבק ומיקרומטידיים.
« חימום ובקרי חימום
כדי למנוע רכיבים מהקפאת בלילה הירחי הארוך, תנורי התנגדות חשמליים משמשים לעתים קרובות על ידי בקרים תנורי חום מיוחדים לפקח על חיישני טמפרטורה ומחליף כוח על ומחוץ. Efficient Heater מיקום ותקציבי כוח הם חיוניים כי חשמל הוא פרמיה - במיוחד במהלך הלילה כאשר מערכי השמש הם לא פעילים.
רדיטורים ו-Hick Rejection Surfaces
(הרדיטורים הם האמצעי העיקרי לדחות חום עודף לחלל; הם בדרך כלל לוחות מצופים בצבע גבוה (למשל, צבע לבן או כסף טיפטון) כדי למקסם את הקרינה אינפרא אדום. כי פני הירח והסביבה עשויים גם לקרינה חום (במיוחד במהלך היום), קורנטורים לעתים קרובות מזווית למשטח עמוק תוך הימנעות תאורה סולארית ישירה.
צינורות חום וצנרת חום
צינורות חום הם שני מכשירים פסיביים של טיפול כי להעביר חום מאלקטרוניקה או מערכי השמש כדי קורנטורים עם ירידה טמפרטורה מינימלית.הם משתמשים נוזל עבודה (למשל, אמוניה או מים) כי מתפוגג במקור החום ו condenses בדיאטור.עבור מרחקים ארוכים יותר, צינורות חום לולאה (LHPs) מספקים גמישות רבה יותר ויכולים להתמודד עם עומסי חום גבוהים יותר אלה הם בשימוש על חללי בית גידול רבים.
משטחים רפלקטיביים ו-Kings
ציפוי שליטה על משטחים חיצוניים מסייע לנהל ספיגת השמש.צבעים לבנים ומראות דו-צדדיים (בכסף או אלומיניום על זכוכית) יכול לשקף את רוב האור הנכנס תוך עדיין קורנת חום.עבור רכיבים הדרושים כדי להישאר חם, קטן כיטי הרשאות מוחל.
אחסון חומרים שלב שינוי
חומרים לשינוי שלב (PCMs) יכולים לאחסן כמויות גדולות של אנרגיה תרמית כפי שהם מתמיסים (במהלך היום) ושחררו אותו כפי שהם מבססים (בלילה) PCMs כוללים שעווה פרפין וhydrates מלח. הם שימושיים במיוחד עבור לחות תנודות טמפרטורה וצמצום גודל תנורי חום ורדיוורים.
אסטרטגיות עיצוב קדמוניות עבור משימות ירח
מהנדסים מעסיקים תערובת של שיטות פאסיביות ופעילות להשגת יציבות תרמית.הבחירה תלויה משך המשימה, זמינות חשמל, מגבלות מסה, ואת אופי המטען.
בקרת הרמיזה
מערכות פאסיביות מסתמכות על תכונות חומריות וגיאומטריה ולא על העברת חלקים או כוח.טכניקות מפתח כוללות:
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ (ב) , באמצעות ניגודים מוליכים נמוכה למניעת זרימת חום בין אזורים חמים וקרים.
מערכות פאסיביות הן אמינות ביותר מכיוון שאין להן חלקים נעים, אך הן מציעות יכולת מוגבלת להסתגל לתנאים משתנים.הן מתאימות ביותר לסביבות תרמיות יציבות של המדינה או לרכיבים עם סובלנות טמפרטורה צרה.
בקרה פעילה
מערכות Active משתמשות במשאבות, שסתום, תנורים, ובקרה של אלקטרוניקה כדי להסדיר את הטמפרטורות.דוגמאות כוללות לולאות נוזלים מומשכות (PFLs), אשר מפיץ קירור (למשל, מים או תערובת של מים וגליקול) באמצעות חילופי חום ורדיוators.מערכות אלה יכולות להתמודד עם עומסי חום גבוהים יותר ולספק שליטה טמפרטורה מדויקת יותר על פני הירח, לולאות פעילות יכולות לשמש בתוך בתי גידול או מערכות כוח גדולות יותר.
גישה פעילה נוספת היא (FLT:0 irmoelectric קרירים / חימום) 1:1 (מכשירים פיראט) שיכולה להשמין חום באמצעות זרם חשמלי.הם קומפקטיים ואין להם חלקים נעים, אבל יעילותם מוגבלת, מה שהופך אותם מתאימים רק לעומסי חום קטנים.
אחסון תרמי ועומס
מכיוון שמחזור היום/לילה ארוך כל כך, פשוט להסתמך על תנורי חום בלילה יכול להיות אסרטיבי מבחינת מסת סוללה ומחסן אנרגיה.אחסון תרמי באמצעות מחשבי PCMs או אחסון חום הגיוני (למשל, רוק חם או מיכלי מים) יכול לאחסן אנרגיה במהלך היום לשימוש במנועי חשמל משולבים בלילה.
גישות היברידיות
רוב עיצובי תרמי אמיתיים בעולם האמיתי משלבים אלמנטים פסיביים ופעילים.לדוגמה, הפוגה עשויה להשתמש ברצועות MLI ומדמוס עבור המנועים שלה, תנור קטן עבור הסוללה שלה במהלך הלילה, ורדיור קטן למחשב שלה במהלך היום. .The NASA VIP rover, שנועד לחקור את הקוטב הדרומי, משתמש בשילוב מתוחכמת של מאלי, תנורי חום, ורדיור לטפל בסביבה מעורבת, בדומה לסלעים פנימיים, אשר תוכנן על קירות בקרה חיצונית, תוך כדי בקרה חיצונית, תוך שימוש בטמפרטורה מתוחכמות, תוך כדי שימוש בטמפרטורה פנימית, תוך כדי בקרה חיצונית, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, מאופקת, מאופקת, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, ממתכת, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, מאופקת, מחוספסת, תוך כדי שימוש בקירות פנימיים, מחוספסת על פני השטח של מחוספסת, תוך כדי שימוש בקירות פנימיים, תוך כדי שימוש בטמפרטורה פנימית, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, מחוספסת, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, תוך כדי שימוש בקירות מתוחכמות, מכחול מתוחכמות, מחוספסת, תוך כדי שימוש בקירות
חידושים בניהול הירומל
ההתקדמות האחרונה במדעי החומרים, המיניגלגליזציה, וייצור התוספים מאפשרת מערכות תרמיות הדור הבא שהן קלות, יעילות יותר, ועמידות יותר.
חומרים מתקדמים
חוקרים מפתחים בידוד מבוסס אווירוגל המספק התנגדות תרמית יוצאת דופן בשבריר של המסה של MLI. Silica aerogels, למשל, יש מוליכות תרמית נמוכה מאוד, ניתן ליצור שמיכות גמישות.הם מוערכים לשימוש ברגליים קרקעיות ירחיות וקירות בית גידול.
מצעים חכמים ומשטחי הרשיון משתנים
ציפויים משתנים (למשל, אלקטרו-כרומטי או thermochromic) משנים את המולד אינפרא אדום שלהם בתגובה לטמפרטורה או פוטנציאל חשמלי.זה מאפשר משטח לפעול כרדיור יעיל כאשר חומרים חמים וטובים כאשר קר, ללא סטיות מכניות כאלה נבדקים על לווינים קטנים והופכים להיות נחשבים לירחיים עבור יישומים, בדומה ל-FLTIVE, רפלקטיביים, רפלקטיביים, ללא מתחמי שמש פעילים ותופסים.
ייצור תוספתי של בורסות חום ולוחות קרות
הדפסה תלת מימדית מאפשרת יצירת ג'ממטות מורכבות - כגון ערוצי קירור תואמים, מבני מינוף, וחילופי חום קומפקטיים - כי הם בלתי אפשרי מכונה באופן מסורתי. עבור משימות הירח, שבו כל דקדוק ספירה, מרכיבים תרמיים המיוצרים באופן תוספתי יכולים להציע ביצועים גבוהים יותר ומסה נמוכה יותר. נאס"א בדקה 3D-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-מחדשורים ולוחותריחותמים לוחות קרים לשימוש לשימוש לשימוש על פני הקרקעותנים עתידיים על פני הקרקעותנים ולוחותנים עתידיים על פני הקרקעות על פני הקרקעותנים ולוחותנים ולוחותנים ולוחותנים ולוחותנים ולוחותנים, עבור לוחות קר לשימוש על פני
רדיטורים גמישים ומפוזרים
ניתן לנסח רדיורים מעומקים במהלך ההשקה ולאחר מכן ללא תוספת על פני הירח, חשיפת אזור גדול קורנינג מבלי לקחת נפח מופרז.חומרי שלב בתוך לוחות גמישים מסייעים אפילו מחוץ עומסי חום. חברות כמו לוקהיד מרטין ו- ESA הוכיחו מושגים כאלה עבור FLT:0Lunar GatewayFLT:1 ומערכות כוח על פני השטח.
מערכות אינטגרטיביות ועוצמה
במקום להתייחס לניהול תרמי כמערכת תת-מערכת נפרדת, עיצובים חדשים משלבים אותו עם ייצור חשמל ואחסון.לדוגמה, מערך סולארי יכול לשלב צינורות חום כדי להעביר חום לתא אחסון תרמי, אשר לאחר מכן מספק חום לממיר כוח במהלך הלילה.זה דומה למושג שמאחורי FLT:0solar מערכות כוח תרמילא 1LT משמש כמה בדיקות עמוקות על הירח, שילוב כזה יכול לשפר את יעילותה הכוללת.
פיתוח עתידי והשלכות משימה
הישרדות ממושכת ומציאות
ככל שהמשימות משתרעות מימים עד חודשים ושנים, מערכות תרמיות חייבות להיות מיועדות לעשרות או מאות מחזורי לילה.שימוש במשאבי החלפתי (ISRU) – באמצעות regolith ירח עבור בידוד תרמי או כמדיום אחסון חום - יכול לספק פתרונות בעלות נמוכה.לדוגמה, אסטרונאוטים יכולים לכסות בתי גידול עם שכבת regolith עבה של regth כדי לפעול כשמיכות תרמיות.
Cryogenic Thermal Management
משימות עתידיות הדורשות חמצן נוזלי ומימן להנעה יזדקקו לשליטה תרמית מבועתת.המשך הדחף בטמפרטורות מתחת ל-140 מעלות צלזיוס במשך שבועות או חודשים הוא אתגר עצום. Multi-layer בוכה בזרימת זעקות, מגני בכי פעילים ומגן השמש יהיה צורך.תוכנית ניהול שפעת התווגנית של נאס"א מתפתחת באופן פעיל טכנולוגיות לאחסון ארוך טווח על פני הירח.
בטיחות אנושית-Rated Thermal Safety
עבור בתי גידול מאוישים, בקרה תרמית חייבת גם לשמור על הסביבה הפנימית נוחה ובטוחה.זה כולל לא רק טמפרטורה אלא גם לחות שליטה והסרה של מערכות תמיכה מטבוליות. מערכות תמיכה בחיים (למשל, לולאות קירור חלליות, מיזוג אוויר) יתבססו על אסיפות תרמיות. רדונדנסיה ומנגנוני מניעת מנגנונים אינם בטוחים הם ראשוניים.
שיתוף פעולה מסחרי ובינלאומי
עם סוכנויות חלל מרובות וחברות פרטיות תכנון פעולות ירחיות, תקני עיצוב תרמי מפותחים כדי להבטיח את יכולת הפעולה.ה-FLT:0Lunar Surface innovation Consortium (LSIC) LSFLT:1 ב ג'ונס הופקינס ו-FLT:2 European Space Agency's (ESA) PSTEP תוכנית PLT 3: הם בין הקבוצות פרסום הנחיות עבור ממשק פתוח-מקור ומוצרים משותפים יכולים לעזור לך להאיץ את ההתקדמות נמוכה יותר.
משאבים חיצוניים:
- [15] [15] [15] [15] [15]
- (ב) ESA: סביבה חמה ואתגרים 1
- (ב) ,0) ,Lunar Thermal Control Workshop (LPIOVA)
מסקנה
תכנון מערכות תרמיות למשימות פני השטח הירח הוא מאמץ הנדסי בין-תחומי הדוחק את גבולות המדע, העברת חום ושילוב מערכת. תנודות הטמפרטורה הקיצוניות, חוסר האווירה, ופתרונות הביקוש לסביבה המאובקים הם חזקים ומותאמים.מממרבים-שכבות וחומרים לשינוי שלב ועד לרדידור מתקדם וציפויים חכמים, תיבת הכלים של מהנדסים תרמיים ממשיכה להתרחב.
כשהאנושות מתכוננת לשוב לירח ולבסס נוכחות קבועה, ההצלחה של משימות אלה תלויה במידה רבה באמינות ויעילות של ניהול תרמי.המשך המחקר לחומרים חדשים, במערכות משולבות ואסטרטגיות מבוססות מציאות לא רק יאפשרו חקר הירח אלא גם לקדם טכנולוגיות למאדים ומעבר לכך.עבור מהנדסים ומדענים שעובדים בתחום זה, כל רמה של שליטה בטמפרטורה היא צעד לעבר עתיד בר קיימא.