Исследуем поверхность Венеры. Быстро, качественно, недорого

2В закладки
Аудио
Посадочный модуль АМС «Венера-9»

Несмотря на то, что Венера является ближайшей к нам планетой, и её часто называют «сестрой Земли», исследована она весьма слабо, гораздо хуже, чем Марс. Причина этого достаточно проста: там творится сущий ад. Облака из капель серной кислоты скрывают от взора наших приборов разогретую до 470°C поверхность планеты, на которую давят сразу 93 атмосферы.

Тем не менее нельзя сказать, что поверхность планеты не исследована вообще. На неё успешно село целых десять аппаратов:

  • 15 декабря 1970 — аппарат «Венера-7» совершил первую в истории успешную посадку на поверхность другой планеты, где проработал 20 минут. Увы, ещё в самом начале спуска из строя вышло важное оборудование, так что научной информации аппарат передал минимум. Тем не менее аппарат позволил определить температуру и давление на поверхности, что было важно для следующих миссий;
  • 22 июля 1972 — на поверхность успешно сел аппарат «Венера-8», созданный с учётом опыта и результатов измерений прошлого аппарата. Новый аппарат, в отличии от прошлого, сел на дневной стороне планеты и измерил уровень освещённости. Информация об освещённости была критически важна для следующих миссий, которые должны были осуществлять фотосъёмку. Работа на поверхности на сей раз продлилась 50 минут;
  • 22 октября 1975 — успешную посадку совершает аппарат «Венера-9», который, впервые в истории, передаёт на Землю фотографии с другой планеты:
Панорама поверхности Венеры, переданная аппаратом «Венера-9»
  • 25 октября 1975 — аппарат «Венера-10», однотипный с прошлым, также успешно садится на поверхность «богини красоты, плотской любви и плодородия». Впервые аппарат работает на поверхности больше часа — 65 минут;
  • 9 декабря 1978 — один из спускаемых модулей американской АМС «Пионер-Венера-2» сохраняет работоспособность даже после удара о поверхность (никаких систем мягкой посадки он не имел). Ни один из модулей не был на это рассчитан, сохранение работоспособности было случайностью. Тем не менее он передал некоторые данные об условиях на поверхности планеты и проработал на ней целых 68 минут, немного превысив рекорд «Венеры-10»;
  • 21 декабря 1978 — аппарат «Венера-12» устанавливает новый рекорд продолжительности работы на поверхности — 110 минут. Но из-за неполадок он не смог выполнить программу исследований полностью, в частности не смог произвести фотосъёмку;
  • 25 декабря 1978 — аппарат «Венера-11», запущенный на несколько дней раньше прошлого, но летевший чуть дольше, тоже успешно сел на поверхность, но тоже не смог выполнить научную программу полностью из-за таких же технических проблем;
  • 1 марта 1982 — аппарат «Венера-13» ставит новый, до сих пор не побитый, рекорд длительности работы на поверхности Венеры — более двух часов, 127 минут. Впервые в истории осуществляется анализ грунта на другой планете с помощью рентгеновского флуоресцентного спектрометра. Впервые в истории на Землю передаются цветные фотографии с поверхности этой планеты:
Цветная панорама, переданная аппаратом «Венера-13»
  • 5 марта 1982 — аппарат «Венера-14» в целом повторяет успех прошлого аппарата, хоть и проработал на поверхности лишь 57 минут;
  • 15 июня 1985 — последний раз на поверхность Венеры успешно садится космический аппарат, Вега-2. Международный проект, возглавляемый Советским Союзом, своими 56-ю минутами работы завершил исследование поверхности этой планеты.

Как же всем этим аппаратам удалось, пусть и краткосрочно, выдерживать температуры сильно за 400°C в очень плотной атмосфере? Секрет довольно прост — тригидрат нитрата лития. Соль, которая плавится при температуре всего 30°C, поглощая при этом примерно по 290 кДж тепла на каждый свой килограмм. Тепло от всех приборов с помощью специальной системы терморегуляции передавалось к контейнеру с солью. Пока в контейнере остаётся хоть чуть-чуть твёрдой соли, условия работы всех приборов будут весьма комфортными. Совместно с теплоизоляционным покрытием поверх титанового корпуса и максимальной теплоизоляцией внутренних компонентов от этого корпуса получаем возможность несколько часов работать в натуральном аду.

Но несколько часов — это мало… Чтобы качественно изучить поверхность Венеры нам придётся:

  • запустить сотни зондов, работающих столь короткое время, чтобы суммарно все вместе они успели собрать нужный массив информации;
  • либо создать зонды, которые смогут работать куда как более длительное время.

Давайте для начала поговорим о втором варианте.

Только недавно на сайте появилась статья о механических вычислительных устройствах для исследования Венеры. Сделать механизм, работающий при такой температуре, проблемы не составит. Впрочем, на чистой механике всё равно работать нельзя: как передавать информацию? Но тут на помощь приходят другие «древние» технологии — радиолампы. При правильно сделанном корпусе они без проблем могут выдержать 500°C и 100 атмосфер. Но, разумеется, лампово-механический зонд неизбежно будет крайне ограничен в своих возможностях, он сможет проводить лишь самые примитивные измерения вроде температуры и давления атмосферы. В лучшем случае можно рассчитывать на аналоговые фотографии с качеством на уровне панорам советских аппаратов.

От себя могу предложить куда как более амбициозный проект — венероход с питанием от РИТЭГа («ядерной батарейки») и абсорбционным холодильником, использующим бросовое тепло РИТЭГа для охлаждения приборов до приемлемой температуры. Несколько подобных аппаратов позволят изучить Венеру на том же уровне, на каком сейчас изучен Марс. Но, разумеется, из-за куда более сложных условий работы цена аппаратов окажется на порядок выше, чем у Curiosity и Perseverance… Надо быть реалистами: никто не даст на ровер такие деньги, на которые можно на Марс человека отправить. И это даже правильно.

А вот теперь мы вернёмся к первому варианту…

Прошлые аппараты весили сотни килограмм и даже существенно более тонны. Разумеется, они сами и их доставка на Венеру стоили больших денег. Отправить сотню таких аппаратов к Венере может и дешевле, чем долгоживущий венероход, но не слишком сильно. Как бы сделать эти аппараты меньше, легче, проще и дешевле?..

Для начала стоит заметить, что нам совершенно не обязательно поддерживать температуру электроники на уровне комнатной. Кремниевые микросхемы вполне могут работать до 125°C. Если вы откроете документацию на любимый NASA процессор RAD750, то увидите там «Temperature range -55 degrees celsius to +125 degrees celsius». Не стоит думать, что такие температуры допустимы только для каких-то специфических микросхем, массовые копеечные тоже вполне справляются! Например, если открыть документацию на банальный, знакомый любому радиолюбителю, КМОП 555-й таймер, то «Operating free-air temperature, TA TLC555Q –40 125 °C». С фотографическими матрицами сложнее, обычно они рассчитаны максимум на 85, а то и вовсе только на 65°C. Но есть массовые и при этом недорогие (порядка $100 или ещё меньше) матрицы, которые выдерживают за сотню. Например, OmniVision OV2311 обещает «-40°C to +105°C sensor ambient temperature and -40°C to+125°C junction temperature». Что-то мне подсказывает, что в реальности как минимум часть матриц этой модели будет нормально работать при нагреве до 125°C по всему объёму. А то и вообще все будут, производитель просто перестраховался. Причём это матрицы с вполне достойным разрешением 1600×1300 (именно 1300) пикселей, глобальным затвором и повышенной чувствительностью к ближнему ИК-излучению. Последнее — особенно интересный момент, т.к. при венерианской температуре ночью такая матрица будет продолжать успешно снимать, только уже не отражённый от поверхности свет Солнца, а собственное тепловое излучение планеты.

Но даже 125°C это всё ещё примерно на 350 градусов меньше температуры на поверхности Венеры… Плюс ещё давление 90-95 атмосфер, стремящееся раздавить любой спускаемый аппарат. А значит нам всё ещё нужен прочный тяжёлый корпус, толстая теплоизоляция и, разумеется, тригидрат нитрата лития. Причём нужна не просто соль, а сложная, громоздкая и тяжёлая система терморегуляции, которая будет сбрасывать тепло электронных компонентов на контейнер с солью. Мы же не можем просто залить солью весь объём, расплав соли — отличный проводник…

Но есть способ всё упростить! Заменить плавление соли на испарение аммиака…

Хотя мы привыкли считать аммиак газом, при давлении в 10 атмосфер и комнатной температуре он становится жидким. Причём удельная теплота парообразования при этом составляет около 1165 кДж/кг (1370 кДж/кг из справочника — это при давлении в одну атмосферу и, соответственно, температуре -33°C). Если повышать давление, то температура кипения также будет повышаться. При типичных для Венеры 9,3 МПа получаем температуру кипения в 121°C. Теплота парообразования при этом падает до 460 кДж/кг, но всё равно остаётся в полтора раза выше теплоты плавления тригидрата нитрата лития.

В чистом виде жидкий аммиак подобен дистиллированной воде, т.к. электричество практически не проводит. Как и вода, он способен много чего растворять, становясь при этом проводником, но при правильном подборе материалов, чтобы они в аммиаке не растворялись, им вполне можно просто залить весь внутренний объём спускаемого аппарата. Непосредственный контакт электронных компонентом с аммиаком обеспечит отличное охлаждение. Даже те компоненты, которые по мере выкипания хладагента окажутся выше уровня жидкости, всё равно будут хорошо охлаждаться: внутри аппарата пары аммиака будут иметь практически такую же температуру, как у жидкости, а за счёт того, что при таком давлении их плотность более 10% от плотности воды, они будут очень эффективно отбирать тепло у всех электронных компонентов.

Обращаю внимание, что аммиак будет поддерживать внутри аппарата такое же давление, как и снаружи, а значит нам не потребуется сколько-нибудь прочный корпус. Конечно, корпус должен будет выдерживать внутреннее давление около 10 атмосфер, т.к. такое давление создаст аммиак на Земле при подготовке к полёту, но 10 атмосфер внутреннего давления выдерживают даже тонкостенные баки. Если корпус сделать в виде шара диаметром 30 см из простой нержавеющей стали, то толщина стенки может составлять всего 0,5 мм! Масса корпуса при этом составит всего 1,1-1,2 кг.

Конечно, приток тепла через 0,5 мм стальную стенку будет просто огромным, а значит аммиак выкипит очень-очень быстро. Так что нужна теплоизоляция. Например, 10 см аэрогеля. Его теплопроводность составляет всего 0,03 Вт/(м*К).

Давайте прикинем: 30 см шар — это 14 литров внутреннего объёма. Из них, допустим, половина — это объём, занятый приборами, остаётся 7 литров под жидкий аммиак. Его, кипящего при давлении 93 атмосферы, в такой объём поместится более 2,6 кг (исходно его может быть больше по массе, по мере спуска в атмосфере часть будет выкипать, но остаток из-за роста температуры будет расширяться и продолжать занимать весь внутренний объём). Это позволит нам поглотить примерно 1200 кДж тепла.

Площадь внешней поверхности 30 см шара — примерно 2830 квадратных сантиметров. При перепаде температур 350 градусов и 10 см слое теплозащиты с теплопроводностью 0,03 Вт/(м*К) получим 30 Вт теплопритока. Ну, на самом деле внешняя поверхность сферы с учётом теплоизоляции будет иметь куда большую площадь, а значит теплоприток будет выше чуть ли не в два раза. С другой стороны, нам ведь для входа в атмосферу потребуется 2-3 см абляционной теплозащиты, которая частично сохранится и будет тоже работать теплоизолятором, так что на внешней поверхности аэрогеля будет меньше, чем 470 градусов. Пусть будет 50 Вт теплопритока. И пусть ещё 50 Вт тепла выделяются в результате работы приборов — 100 Вт суммарно. Получим, что имеющегося запаса аммиака хватит на три с лишним часа работы на поверхности — значительно больше рекорда «Венеры-13»!

Итого имеем аппарат с начальным диаметром всего около 55 см (для сравнения, до сих пор самый маленький добравшийся до поверхности Венеры аппарат имел диаметр 79 см), почти 60% объёма которого будет занимать очень лёгкий аэрогель. Благодаря этому масса аппарата может быть на уровне всего навсего 50 кг. Всего одна ракета сможет доставить к Венере сразу десятки таких аппаратов!

Понятное дело, что тут нет детальной проработки проекта. Например, размер корпуса в 30 см взят «с потолка», быть может для приборов хватит и 15 см, а может потребуются все 60. Но простота системы охлаждения, отсутствие прочного корпуса, использование массовых компонентов (да, они менее надёжны, чем специальные космические, но потеря 10-20% аппаратов из-за поломок не помешает работе, зато удешевит всё в разы) и серийный выпуск в любом случае позволят сделать каждый аппарат весьма дешёвым (моя оценка — порядка $5 000 000 за штуку с учётом затрат на разработку при выпуске серии в сотню штук) и относительно лёгким («Венеры» весили сильно за тонну), что в купе с возможностью доставить всё это богатство всего двумя-четырьмя ракетами позволит сделать проект массовой засылки зондов на Венеру эдак в 2-3 раза более дешёвым, чем один единственный Curiosity.

ОБНОВЛЕНИЕ:

В процессе обсуждения статьи стало ясно, что в ней не учтён один важный эффект — наличие у жидкого аммиака теплоёмкости. Даже при -40°C она составляет почти 4,4 кДж/(кг*К). С ростом температуры теплоёмкость возрастает, превосходя величину 5 кДж/(кг*К) при температуре +60°C и 6 кДж/(кг*К) при +95°C:

Зависимость теплоёмкость аммиака от температуры при давлении 93 атмосферы

Для сравнения у воды теплоёмкость такая:

Зависимость теплоёмкость воды от температуры при давлении 93 атмосферы

Если в начале спуска в атмосферу Венеры температура аммиака будет +30°C, то прежде, чем закипеть, он успеет поглотить примерно 520 кДж/кг тепла. Если начальная температура будет -30°C, то уже 750 кДж/кг. В результате запаса в 2,6 кг жидкого аммиака хватит на поглощение не 1200 кДж тепла, а 2550 или даже 3150 кДж.

Соответственно, время работы зонда возрастает с более чем трёх до более чем семи часов!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

32
Войдите, чтобы видеть ещё 34 комментария, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Пол Атрейдес
Вечность назад

Дякую автору, цікава історична довідка. Але електроніка теж не стоїть на місці. Вимоги до охоложення електронних компонентів на Венері можуть бути суттєво меншими. Або і взагалі обійтися без охоложення. У німців вже має бути готова технологія виробництва електронних схем з робочою температурою до 300 градусів. Вони назвали її HOT 300. Ще більш цікаві результати отримали американці. Вони тестували мікросхеми, створені на основі карбіду кремнію, в умовах венеріанської атмосфери без жодного захисту. Одна мікросхема відпрацювала у них 500годин а інша 100. Детальна стаття на цю тему за посиланням https://m.habr.com/ru/post/401469/

Весёлый Илон
Вечность назад

Интересное предложение в статье. Возможно и сработает, было бы здорово распространить подобный способ на другие . Спасибо автору!

Эллен Рипли
Вечность назад

Можно ещё вспомнить правило "куб-квадрат"и увеличив зонд в 2 раза в диаметре получим приток тепла в 4 раза больший, но при этом объём "охладителя" будет больше в 8 раз что позволит увеличить время работы в 2 раза

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.