Касмічныя коўдры і як касмічны карабель TeamIndus выжыве ў космасе

Погляд на шматслаёвую ізаляцыю і тое, як мы яе выкарыстоўваем

Там, у суровай касмічнай абстаноўцы, касмічны апарат павінен сутыкацца з экстрэмальнымі гарачымі і халоднымі тэмпературамі. Касмічны апарат не проста перажывае экстрэмальныя тэмпературы, але і функцыянуе ў такіх суровых умовах на працягу ўсёй місіі.

Цяжкасці з кіраваннем цяплом у космасе

Касмічны карабель можа адчуваць тэмпературу ў космасе, якая занадта гарачая ці занадта халодная. Сонечнае выпраменьванне можа нагрэць касмічны апарат на сотні градусаў, што ўяўляе небяспеку для іх выжывання. З іншага боку, зацьменне ад Сонца, калі ззаду нябеснага цела (скажам Зямля) можа быць занадта халодна для касмічнага карабля, калі-небудзь холадна, як сотні градусаў ніжэй за 0 ° С.

Перажыванне альбо занадта гарачая, альбо занадта халодная тэмпература за межамі касмічнага карабля можа канчаткова пашкодзіць яго, і яго кампаненты могуць перастаць працаваць па прызначэнні. У залежнасці ад умоў навакольнага асяроддзя, кампаненты касмічнага карабля трэба награваць або астуджаць. Асабліва цяжка зрабіць гэта эфектыўна, таму што:

  • Электрычная магутнасць на борце касмічнага карабля занадта абмежаваная, каб празмерна выкарыстоўваць абагравальнікі.
  • Умовы навакольнага асяроддзя могуць значна змяняцца ў залежнасці ад этапу місіі, што абцяжарвае адно рашэнне для адаптацыі да ўсіх патрэбаў.

Вось тут прыходзіць методыка пад назвай шматслаёвая ізаляцыя (MLI).

Захаванне цяпла пры дапамозе шматслаёвай касмічнай коўдры

Важныя часткі касмічнага карабля звычайна пакрытыя шматлікімі высокаізаляцыйнымі матэрыяламі пад назвай Kapton. Паміж кожным наступным пластом Каптона выкарыстоўваецца іншы ізаляцыйны матэрыял, званы Майлар.

Буйны план шматслаёвага ізаляцыйнага матэрыялу. Крыніца: Вікіпедыя

Такая шматслаёвая ізаляцыя (MLI) дазваляе мінімальна праходзіць цяпло ў любым выпадку, падтрымліваючы тым самым патрэбную тэмпературу на дэталях касмічных апаратаў, якія ён прызначаны для абароны. Матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў MLI, таксама вельмі ўстойлівыя пры шырокім дыяпазоне тэмператур і не дэфармуюцца лёгка. Такім чынам, яны карысныя ў самых розных выпадках.

№ 1: Абарона ад залішняй спякоты

У прыватнасці, касмічны тэлескоп Джэймса Вебба NASA (JWST), які плануецца запусціць у 2020 годзе, будзе выкарыстоўваць сонцаахоўны экран MLI для абароны сваёй оптыкі. Адчувальная оптыка павінна працаваць пры вельмі халодных тэмпературах і дэфармавацца пры ўздзеянні залішняга цяпла.

Папярочны прарэзак сонцаахоўнага экрана MLI ад JWST, які абараняе адчувальную оптыку ад сонечнага цяпла. Крыніца: NASA JSWT

Цікава, што ізаляцыйны матэрыял, які выкарыстоўваецца паміж пластамі каптона, зусім не матэрыял, а вакуум. Сам вакуум - гэта дрэнны праваднік цяпла і, такім чынам, дазваляе ўстаноўцы MLI захаваць оптыку, што дазваляе нам даследаваць Сусвет.

№ 2: Абарона ад залішняга холаду

Акрамя таго, місіі, накіраваныя ў знешнюю Сонечную сістэму, павінны быць дастаткова цёплымі, каб функцыянаваць. На такіх вялікіх адлегласцях ад Сонца касмічны апарат хутка пачынае губляць цяпло ў глыбокім космасе. Шмат якія электронныя кампаненты могуць перастаць працаваць у гэты момант, альбо судна таксама можа быць пашкоджана назаўсёды.

Такім чынам, касмічны карабель НАСА "Новыя гарызонты", які праляцеў у Плітоне, быў цалкам пакрыты MLI залацістага колеру, каб захаваць унутранае цяпло.

Касмічны карабель NASA New Horizons цалкам пакрыты MLI залацістага колеру (шматслаёвай ізаляцыяй) для захавання ўнутранай цеплыні. Крыніца: Вікіпедыя

# 3: Чаму б проста не выкарыстаць шчыльны блок шчыт?

Выкарыстанне аднаго тоўстага блока будзе праводзіць цяпло ад аднаго канца касмічнага карабля да іншага. Шматслаёвая ізаляцыя, якая складаецца з розных матэрыялаў, азначае, што кожны пласт гарачы / халаднейшы за іншы, і цеплааддача пры гэтым мінімізуецца. Акрамя таго, тоўсты шчыт павялічвае вагу касмічнага карабля, што непажадана. MLI з іншага боку, даволі лёгкі.

№ 4: Абарона ад уздзеянняў

Нягледзячы на ​​тонкасць, пакрыццё MLI таксама забяспечвае абарону касмічнага апарата ад уздзеяння мікраметэарыта. Калі, скажам, знешні абліцавальны пласт пашкоджаны, астатнія пласты ўсё яшчэ служаць мэты, таму што для павышэння надзейнасці выкарыстоўваюцца лішнія пласты.

Выкарыстанне MLI на касмічным караблі TeamIndus

Ізаляцыя MLI з'яўляецца ключавым фактарам функцыянавання мноства ключавых кампанентаў на працягу ўсёй місіі. Такім чынам, мы шырока выкарыстоўваем MLI на нашых касмічных апаратах. Вось некалькі сцэнарыяў місіі, дзе нам патрэбен камфорт касмічнай коўдры.

№ 1: На месяцовай арбіце

Падчас арбіты Месяца ў начны час сутак касмічны апарат будзе сутыкацца з надзвычай халоднымі тэмпературамі. Напрыклад, на арбіце S2, прыведзенай на прыведзеным ніжэй схеме, касмічны карабель будзе адчуваць тэмпературу ў начны час халадней за -50 ° С больш за гадзіну.

Арбіты касмічнага карабля TeamIndus Z-01 вакол Месяца

Каб забяспечыць функцыянаванне кампанентаў і прадухіліць пашкоджанне касмічнага карабля, усе яго важныя часткі ахоплены MLI, як паказана ніжэй.

Мадэль касмічнага карабля TeamIndus, якая паказвае дэталі, пакрытыя MLI (жоўтыя).

№ 2: Сустрэча з спякотай падчас месяцовага спуску

Наш касмічны апарат пачне фазу пасадкі адразу пасля ўсходу сонца. Цеплавыя нагрузкі на касмічны карабель у гэты час будуць максімальнымі дзякуючы спалучэнню цяпла ад Сонца, Месяца і, асабліва, галоўнага рухавіка, які страляе на працягу пасадкі. Часткі асноўнага рухавіка перасякаюць 1000 ° С і такія моцныя спякота могуць пашкодзіць касмічны карабель, калі ён дасягне галоўнай палубы над рухавіком. Тытанавы цеплавы экран падключаецца да асноўнага рухавіка і займае вялікую частку цеплавой нагрузкі.

Тытанавы шчыт (жоўты) прымае інтэнсіўную цеплавую нагрузку ад асноўнага рухавіка.

Аднак трэба пераканацца, што рэшткавы нагрэў не праводзіцца да астатніх касмічных апаратаў праз асноўную палубу. Такім чынам, 15-слойная абарона MLI выкарыстоўваецца для абароны касмічных апаратаў, не дазваляючы цяпло рухавіка і цеплавога шчыта дасягаць асноўнай палубы.

Абарона MLI (жоўты) паміж асноўнай палубай (фіялетавая лінія) і цеплавым шчытом (карычневы).

Рухавыя рэзервуары і паліўныя лініі на борце касмічнага карабля таксама абаронены MLI.

№ 3: Абсталяванне сувязі

X-дыяпазон перадатчыка, які выкарыстоўваецца для адпраўкі дадзеных, можа набліжацца да тэмпературы каля 50 ° C у начны час месяцовых арбіт, што выходзіць за межы яго дзеяння. Сапраўды гэтак жа рухавікі, якія вядуць антэну, могуць пры такіх нізкіх тэмпературах таксама не працаваць.

Такім чынам, як рухавікі ў антэне, так і рэнтгенаўскі перадатчык пакрытыя MLI для прадухілення страт цяпла падчас такіх фаз. Дадатковы ацяпленне забяспечваецца таксама ацяпляльнымі прыборамі на караблі.

Маторныя антэны (у цэнтры) загорнуты ў MLI на дне.

№ 4: MLI паўсюдна

Іншыя кампаненты на борце касмічнага карабля, такія як датчыкі спуску (лазерныя вышыні і камеры спуску), зорны датчык, блок інерцыяльнага вымярэння (IMU), акумулятар і г.д., - усе ахоўваюць MLI, каб падтрымліваць іх у патрэбных тэмпературах.

Зоркавая мадэль датчыка паказана ў MLI.

Выснова

Гэта быў нейкі падтэкст у своеасаблівую тэхналогію цеплавой абароны, якая выкарыстоўваецца ў касмічных місіях і ў некаторых сцэнарыях, дзе мы выкарыстоўваем MLI для сваіх касмічных апаратаў. MLI выкарыстоўваецца ва ўсіх касмічных місіях як усталяваны спосаб падтрымання цепланосбіта цяпла ад любой з экстрэмальных тэмператур.