Тепловые методы регулирования для космических аппаратов, работающих в затененных кратерах
Уникальная термосреда затененных кратеров
Космические аппараты, работающие внутри постоянно затененных кратеров на Луне, Меркурии или других безвоздушных телах, сталкиваются с одной из самых экстремальных тепловых сред в Солнечной системе. Эти кратеры, часто расположенные вблизи полюсов, защищены от прямых солнечных лучей высокими кратерными ободами или окружающей топографией, создавая области, которые не видели солнечного света в течение миллиардов лет. Температуры поверхности в этих областях могут опускаться ниже -230°C (43 K), состояние, которое заморозит большинство электроники, трещины структурных материалов и сделает стандартные смазочные материалы неэффективными. Отсутствие атмосферы усложняет задачу, поскольку единственными механизмами теплопередачи являются проводимость через структуру космического корабля и излучение в холодную космическую среду. В то время как пол кратера темный и холодный, солнечные ободки могут быть купаны в интенсивном солнечном излучении, создавая серьезные температурные градиенты через космический корабль, поскольку он переходит между тенью и освещением. Понимание и управление этими крайностями имеет решающее значение не только для
Ключевые методы терморегуляции
Пассивные техники
Многослойная изоляция (MLI)
Рабочая лошадка пассивного теплового контроля в затененных кратерах представляет собой многослойную изоляцию. Одеяла MLI состоят из чередующихся слоев тонких полимерных пленок — обычно Каптон или Майлар — покрыты отражающим металлом, таким как алюминий или серебро. Каждый слой действует как радиационный щит, эффективно уменьшая теплообмен излучением до очень небольшой доли от той, что существует без изоляции. В вакуумной среде, где нет конвекции, MLI может ограничивать потери тепла до менее 1% от того, что произойдет без изоляции. Одеяла адаптированы к конкретной геометрии космического корабля, с вырезами для антенн, инструментов и двигателей. MLI является легким, что идеально подходит для миссий с ограниченным массой. Однако в постоянно затененных кратерах MLI сам по себе является недостаточным, потому что космический корабль все еще должен рассеивать внутренне генерируемое отработанное тепло от электроники и двигательных систем. Для решения этой проблемы некоторые панели могут быть оставлены открытыми или оснащены покрытиями с низкой излучательностью [FLT: 1] , которые позволяют тепло излучать, все еще отража
Термические покрытия и обработка поверхности
В дополнение к MLI поверхности космических аппаратов намеренно покрыты для управления поглощением тепла и излучением. Тепловые управляющие покрытия имеют конкретные значения поглощения солнечного тепла (α) и инфракрасного излучения (ε). Для космических аппаратов, которые должны отбрасывать внутреннее тепло при сохранении тепла, для поверхностей радиатора выбирают покрытие с высоким ε (в идеале около 1) и низким α. В затененных кратерах отсутствие прямого солнечного потока означает, что α становится менее важным; основная проблема заключается в минимизации радиационных потерь тепла. Следовательно, поверхности часто окрашены белыми или металлическими покрытиями , которые отражают слабое тепловое излучение от стен кратера и Земли (для лунных миссий). Общий подход заключается в применении покрытия с серебряной поддержкой тефлона , которое сочетает в себе высокую отражательную способность с низкой излучательной способностью для определенных длин волн. Разрабатываются расширенные переменные излучающие свойства в ответ на температуру или приложенное напряжение
Материалы для фазовых изменений (PCM)
Материалы фазового изменения являются пассивным методом буферизации колебаний температуры. PCM - это вещество - часто воск, соляной гидрат или парафиновая смесь - которое поглощает тепло во время плавления и высвобождает его во время затвердевания при почти постоянной температуре. Интегрируя контейнеры PCM в структуру космического корабля или тепловой интерфейс, инженеры могут хранить избыточное тепло в теплые периоды (например, когда космический корабль кратковременно переходит в солнечный свет или когда внутренняя электроника приводится в действие) и выделять это тепло в то время, как космический корабль охлаждается, поддерживая компоненты в пределах их рабочего диапазона. Для операций с теневыми кратерами, PCM с температурными конденсаторами в диапазоне от -20 ° C до 0° C особенно полезны. Они действуют как тепловые конденсаторы, сглаживая тепловые шипы и провалы. Один из заметных примеров - концепция тепловой переключатель, который сочетает в себе PCM с проводящим путем; PCM сам часто используется в качестве материала
Активные методы
Радиоизотопные нагревательные устройства (RHUs)
Когда пассивные методы не могут обеспечить достаточное количество тепла, космические аппараты обращаются к радиоизотопным нагревательным установкам. RHU - это небольшие герметичные капсулы, содержащие гранулу из двуокиси плутония-238, которая генерирует тепло через естественный радиоактивный распад. , которая производит тепло через естественный радиоактивный распад. Каждый RHU производит около 1 ватт тепловой энергии и весит около 40 грамм. Они чрезвычайно надежны, с периодом полураспада 87,7 лет , что означает, что они могут обеспечить тепло в течение десятилетий. RHU широко используются в миссиях в глубоком космосе, таких как Марсианская научная лаборатория, космический корабль Вояджер и зонд New Horizons, но они одинаково ценны для миссий в лунном тени. Например, ровер, исследующий постоянно темный пол кратера Шеклтон, может включать в себя кластер RHU, чтобы держать свои батареи и авионику в тепле в течение долгих ночей
Электрические нагреватели и системы управления
Электрические нагреватели сопротивления являются наиболее распространенным методом активного нагрева. Они легкие, легко управляемые и могут быть размещены именно там, где необходимо тепло. Космические аппараты используют термостатически управляемые нагреватели , которые включаются, когда датчик указывает температуру ниже заданной точки (обычно около -40 ° C для живучести) и выключаются, когда температура поднимается выше другого порога. Эти нагреватели питаются от электрической шины космического корабля, которая в затененных кратерах обычно питается от батарей или радиоизотопной энергетической системы (например, MMRTG). Для экономии энергии нагреватели часто расположены в зонах, с критическими компонентами (клапаны, аккумуляторные батареи, инерционные измерительные блоки) получают приоритет. Современные космические аппараты используют пропорциональные интегральные производные (PID) контроллеры , которые обеспечивают плавное, эффективное нагревание без выключения цикла, который может вызвать тепловую усталость. В затененных кратерах, где солнечные батареи не производят энергию, электрическое нагревание должно быть тщательно спланировано. Для нагрева
Криокулеры для чувствительных инструментов
Некоторые научные инструменты, такие как ближние инфракрасные спектрометры, гамма-детекторы и квантовые датчики, требуют температур намного холоднее окружающей среды, часто вблизи 10 K до 80 K. В затененных кратерах, где среда уже находится при криогенных температурах, задача другая: инструмент должен быть доведен до еще более низкой температуры и поддерживать стабильность. Стирлинговые охладители , пульсивные охладители , или Кулеры пульса-Томсона используются для достижения этих сверхнизких температур. Эти устройства используют механические компрессоры и циклы расширения газа для извлечения тепла из холодной головы и отбрасывают его на более теплый радиатор. Современные космические криокулеры могут обеспечить несколько ватт охлаждения при 40 K с эффективностью нескольких процентов Карно. Для затененных кратеров криоохладители могут быть необходимы для охлаждения массива боло
Тепловые транспортные системы
Тепловые трубы и трубы Loop Heat Pipes
Тепловые трубы представляют собой герметичные трубы, заряженные рабочей жидкостью, которая пассивно передает тепло от горячего источника к холодной раковине через испарение и конденсацию. В затененном кратере тепловая труба может подключить теплую электронную коробку к панели радиатора, которая ориентирована на участок неба, который является немного менее холодным. Поскольку пол кратера чрезвычайно холодный, радиатор может быть очень эффективным, но труба должна быть спроектирована для запуска и работы при низких температурах. Переменные проводящие тепловые трубы (VCHP) могут регулировать свою теплопроводность на основе давления пара неконденсируемого газа, что позволяет космическому кораблю удерживать тепло при низких внутренних нагрузках. Тепловые трубы (LHP) предлагают более высокую транспортную емкость и могут работать против гравитации, что делает их пригодными для роверов, которые наклоняются или поднимаются. Миссия BepiColombo к Меркурию использует сложную систему теплов
Термальные переключатели
Термические переключатели - это устройства, которые могут открывать или закрывать тепловое соединение между двумя компонентами, как правило, в ответ на температуру или электрический сигнал. В затененном кратере тепловой переключатель может предотвратить отвод тепла холодным радиатором от космического корабля, когда это не нужно. Когда космический корабль генерирует отработанное тепло, переключатель закрывается, позволяя течь на радиатор и быть отклоненным. Есть несколько конструкций: , приводимые в действие парафином переключатели , используют воск, который расширяется при плавлении, чтобы сжать две поверхности вместе; , используют небольшой двигатель или соленоид для перемещения теплового интерфейса; и , пьезоэлектрические переключатели , используют материал, который меняет форму под приложенным напряжением. Ключ - надежность во многих температурных циклах. Тепловые переключатели особенно важны для космических аппаратов, которые работают как в затененных, так и в солнечных областях, поскольку они
Тепловой контроль для конкретных миссий
Лунные миссии: Шеклтон, Фаустини и за его пределами
На южном полюсе Луны находятся несколько крупных постоянно затененных кратеров, в том числе Шеклтон, Фаустини, Шумейкер и Свердруп. Планируемые миссии, такие как NASA VIPER (FLT:1]] (FLT:2]] (CLPS) программа, потребуют тепловых систем, способных работать при криогенных температурах. (CLPS) [«Voltiles Investigating Polar Exploration Rover» (CLPS)) (коммерческая программа Lunar Payload Services (CLPS)) (VIPER) будет нести смесь MLI, электрических обогревателей и радиоизотопной энергетической системы, чтобы держать свои батареи и инструменты в тепле во время длинных теней, которые он будет пересекать. термальная архитектура , которая отделяет теплое электронное отделение от холодной кожи, используя тепловые
Меркурий: Мессенджер и BepiColombo
Затененные кратеры Меркурия испытывают еще более экстремальные условия, чем Луна, из-за близости планеты к Солнцу. Осколки кратеров могут превышать 400 ° C, в то время как затененные полы такие же холодные, как -180° C. MESSENGER (который вращался вокруг Меркурия с 2011 по 2015 год) и европейско-японский BepiColombo (теперь в пути) используют сложный тепловой контроль. MLI (FLT: 1) с высокой температурой, солнечные щиты с керамическим покрытием и сложная система тепловых труб и радиаторов для отбрасывания интенсивного солнечного тепла. Его научные полезные нагрузки внутри затененных кратеров (картирование полярного льда) защищены тепловым переключателем, который изолирует приборы холодного региона от теплого космического автобуса. Миссия использует радиометр четверти V [FLT: 2] для мониторинга разницы температур. Уроки, извлеченные из MESSENGER и BepiColombo, будут непосредственно информировать о дизайне будущих посадочных аппаратов для теневых кратеров для Меркурия.
Астероидные и кометные миссии
Маленькие тела, такие как астероиды и кометы, также могут иметь затененные кратеры, где температура резко падает. Миссия OSIRIS-REx к астероиду Бенну использовала комбинацию MLI, электрических обогревателей и пассивного радиатора для защиты своего рукава и инструментов для отбора проб в холодные периоды, когда космический корабль находился на темной стороне астероида. Миссия Rosetta [FLT: 2], когда комета 67P / Чурюмова-Герасименко должна была управлять экстремальными колебаниями температуры, когда комета двигалась по своей орбите; посадочный модуль Philae, который приземлился в частично затененной области, не смог получить достаточно солнечного света для своих обогревателей и вошел в спячку. Это подчеркивает необходимость надежного теплового контроля, который не полагается исключительно на солнечную энергию в затененных средах. Будущие миссии к околоземным астероидам, уже запланированные в рамках программы НАСА Discovery [FLT: 4], включают RHU-подобные источники тепла для живучести.
Инновационные подходы и будущие разработки
Передовые материалы
Аэрогель разрабатывается как высокоэффективные теплоизоляторы для космоса. Эти пористые материалы, состоящие из кремнезема, углерода или полимерных матриц, имеют чрезвычайно низкую теплопроводность, часто ниже 0,02 Вт / м·К. При применении в качестве пены или тонкого слоя аэрогели могут заменить громоздкие MLI в некоторых приложениях, особенно там, где требуется структурная поддержка. Для затененных кратеров могут использоваться упругие аэрогелевые композиты , чтобы выровнять внутреннюю часть корпусов приборов, уменьшая потери тепла проводимостью. Исследователи также изучают микросборные тепловые коммутаторы и , которые могут быть интегрированы в устройства на основе микросхем, что позволяет локальный контроль температуры с минимальной массой.
Регенеративные тепловые системы
Одна из перспективных концепций заключается в объединении ПХМ с тепловыми трубами в регенеративную систему теплового управления . . В течение коротких периодов, когда солнечные батареи марсохода освещаются (например, на краю кратера), избыточная энергия может быть использована для расплавления ПХМ. Позже, когда ровер перемещается в глубокую тень, скрытое тепло PCM высвобождается, чтобы сохранить электронику теплой. Это может уменьшить потребность в электрических нагревателях и продлить срок службы миссии. Программа НАСА Game Changing Development профинансировала работу над такими системами для лунных роверов. Первоначальные прототипы продемонстрировали способность хранить несколько ватт-часов тепловой энергии на килограмм ПХМ, с эффективностью, достаточной для нескольких лунных дневных и ночных циклов. Задача состоит в том, чтобы обеспечить, чтобы ПХМ не деградировал в течение многих циклов и чтобы он адекватно содержался без утечки в вакууме.
Использование ресурсов in-Situ (ISRU)
В долгосрочной перспективе миссии к затененным кратерам могут использовать местные ресурсы для теплового контроля. Лунный реголит может быть сложен для создания берм, которые обеспечивают пассивную изоляцию. Некоторые исследования показали, что микроволновый интерферированный реголит может образовывать твердые кирпичи или пластины, которые действуют как тепловые барьеры. Водный лед, если он доступен, может быть расплавлен и заморожен для создания тепловой массы. Хотя все еще высоко экспериментальный тепловой контроль на основе ISRU может значительно уменьшить массу теплового оборудования, запущенного с Земли. Планетарное научное десятичное исследование определило такие методы, как возможность крупномасштабного полярного исследования.
Заключение
Исследование постоянно затененных кратеров представляет собой один из самых сложных рубежей для тепловой инженерии космических аппаратов. Сочетание сверхнизких температур, длительных периодов без солнечного света и необходимости сохранения чувствительных научных инструментов требует многоуровневого, многогранного подхода. Лучшие стратегии терморегуляции включают пассивную изоляцию, буферы фазового изменения и активное нагревание от радиоизотопных источников или электрических нагревателей, поддерживаемые системами теплотранспорта, которые могут адаптироваться к экстремальным температурным градиентам. Миссии на лунный южный полюс, полярные кратеры Меркурия и даже ледяные поверхности астероидов уже демонстрируют эти методы на практике. По мере продвижения планов устойчивого роботизированного и человеческого присутствия в этих темных регионах будут необходимы дальнейшие инновации в материалах, тепловых коммутаторах и использовании ресурсов на месте. В конечном счете, преодоление тепловой проблемы затененных кратеров открывает возможность изучать и в конечном итоге получать доступ к водному льду и древним материалам, которые оставались скрытыми в течение эонов, расширяя наше понимание Солнечной системы и предоставляя ресурсы для будущих исследователей.