Материалы по долговременной станции на поверхности Венеры

Сброс бомбо-зондов (микропроб) с
аэростата для прямого
вертикального зондирования
атмосферы Венеры
в интервале 50-0 км.
Авторы :
В. Готлиб, В.Линкин, А.Липатов ,
А.Экономов .
(Расчет снижения и теплового режима
зонда на Венере.)
Снос за счет ветра
• Скорость ветра
считалась
постоянной и равной
50 м/сек в диапазоне
50-30 км и линейно
• спадающей от 50
м/сек до 0 в
диапазоне 30-0 км.
Снос составил 39
км.
Приём сигнала
5b.exe
• 5b.exe
Обычная изоляция
ЭВТИ
Съемка поверхности Венеры с аэростата в
окнах прозрачности атмосферы
(предложение эксперимента)
А. Липатов ,……………. А. Экономов (версия 2)
В связи с наличием в атмосфере Венеры
окон прозрачности 1.02, 1.10, 1.18 микрон
целесообразно производить в этих длинах
волн фотографирование поверхности
Венеры с баллона , летящего на постоянной
высоте 48.2 км- под нижней кромкой
облаков.. На этой высоте еще возможно
использовать обычную электронику.
(Температура равна 90 градусов С)
Необходимо использовать узкополосный
интерференционный фильтр.
1.00E+05
1.00E+03
1.00E+01
Ряд1
1.00E-01
1.00E-03
1.00E-05
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
Съемка поверхности Венеры с аэростата в
окнах прозрачности атмосферы
(предложение эксперимента)
А. Липатов ,……………. А. Экономов (версия 2)
В связи с наличием в атмосфере Венеры
окон прозрачности 1.02, 1.10, 1.18 микрон
целесообразно производить в этих длинах
волн фотографирование поверхности
Венеры с баллона , летящего на постоянной
высоте 48.2 км- под нижней кромкой
облаков.. На этой высоте еще возможно
использовать обычную электронику.
(Температура равна 90 градусов С)
Необходимо использовать узкополосный
интерференционный фильтр.
1.00E+05
1.00E+03
1.00E+01
Ряд1
1.00E-01
1.00E-03
1.00E-05
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
Электропитание
Солнечная энергия
на борту аэростата
• Солнечная
постоянная на
Венере 2650 Вт/м2
• На высоте 48.6 км
ослабление до 0.2 ,
КПД 0.15,
• общ 0.03,
• итого 80 Вт /м2,
• 1 Вт=1/80 м2,
Электроника + CCD
• Thomson Composants Militaires et
Spatiaux,
Материалы по
долговременной
станции на
поверхности Венеры
Федеральная космическая
программа России
•
13. Создание космического комплекса для детального исследования
атмосферы и поверхности Венеры, включающего спускаемый
поверхность Венеры аппарат с длительным сроком
активного существования.
•
•
•
на
ШИФР: ОКР «Венера-Д» Заказчик: Российская академия наук.
Результаты:
Космический комплекс, обеспечивающий проведение измерений
химического состава атмосферы Венеры на высотах менее 20 км,
съемку поверхности на этапе спуска, определение минерального
состава вещества поверхностного слоя, точные измерения
температуры и давления, потоков излучения, характеристик
аэрозольной среды. Данные о сейсмической активности планеты
Срок выполнения:
2010-2016 Запуск КА 2016 г.
В предложении Совета по космосу РАН в Федеральную космическую
программу России, (Приложение 2 к протоколу заседания Бюро Совета от
19.05.05.) было написано более ясно: вместо неопределенного
длительного существования было:
Срок активного существования спускаемого аппарата 30 дней.
Срок активного существования орбитального аппарата 3 года.
http://spectrum.iki.rssi.ru/pfs/VEX/News/Venera_D/index.htm
Идеология разработки
•
•
•
Проектирование миссии с ДВС должно начинаться с научной
программы. Затраты на ДВС может быть оправдана только
научными задачами ,которые не могут быть выполнены с
орбитальных аппаратов и баллонов, а также с короткоживущих
СА. Такими задачами является исследование 1)сейсмичности и
2)исследование долгопериодических волн в атмосфере.
Естественным временным масштабом атмосферных явлений
является венерианские солнечные сутки-117 дней, а для
сейсмичности такого масштаба нет.
Известно только (по аналогии с Землей) ,что, чем больше период
наблюдений сейсмичности, тем больше вероятность
зафиксировать значимое событие. Известно также ,по данным
дистанционных измерений
Минимальным временем работы ДВС предлагается считать 0.5
венерианских солнечных суток- 59 дней., максимальным –до года.
Работа столь длительный срок имеет свою специфику- средняя
информативность аппаратуры мала и не требует мощной
радиолинии. Сброс информации может производиться на
орбитальный аппарат- ретранслятор.
History
Venera 9-10: active time on the
surface 50 min.
~1975: a need for active seismic
studies on the surface of Venus
and a longer lifetime was
recognized.
Feasibility studies in Lavochkin
assoc. and IKI (led by R.
Sagdeev)
Dewar concept: lifetime 5 days
~1980: high-temperature
subsystems and components:
lifetime 30 days
RTG (900-1000°С)
TM receiver (500°С)
1981-82: Project abandoned in
favor of Vega mission.
Варианты миссии
• Просматриваются два варианта
экспедиции с ДВС, различающиеся по
стоимости :”бизнес/эконом”. Система
электропитания соответственно :
РТГ/химические батареи . Системы
теплозащиты соответственно
вырисовываются: пассивная/активная
.Масса системы теплозащиты 100/50 кг,
суммарная масса на поверхности
200/100 кг.
VGNP Venus Geophysical Network Pathfinder:
A Discovery Workshop Mission Proposal
Michael C. Malin, Malin Space Science Systems,
•
on the order of a year).
Ч2.-Технические предложения
по станции с пассивной
системой ТЗ
Пассивная теплозащита
• Пассивная теплозащита состоит из теплоизоляции и
теплопоглотителя внутри , реализующего
термодинамические эффекты фазовых переходов и
теплоемкости. Наиболее эффективным
теплопоглотителем является обыкновенная вода, с
суммарным тепловым эффектом (включая
испарение) 2700 кДж/кг..
• Изоляция одинаково важна как для активной, так и
пассивной СТР.Лучшим видом теплоизоляции
является ЭВТИ. В настоящее время нельзя
приобрести готовую ЭВТИ на 500 С. Хотя и
существуют термостойкие полимеры, однако при
высокой температуре они газят и нарушают вакуум в
изоляции. Поэтому изоляция должна быть
цельнометаллической – из золотой или серебряной
фольги с кремнеземным разделителем.
Сравнение видов теплоизоляции
P[ bar]
92
1
0
name
KSB
aerogel
MLI
0.1
0.01
0.001
0.3
0.03
0.03
encapsulation
-
+
+
vacuum
-
-
+
Thermal
conductivity
W/(m*K)
density 103
kg/m3
Flux calculation -nonlinear
T1
Q>=T14+ Q<
Total 20 layers1 cm total,
Micro quartz veil
separators
T2
Q<=T24+ Q>
Q>=T14+ Q< Q<=T24+ Q>
Q= Q<- Q>=(T24-T14) / (2-)
al
0.018
0.039
au
0.0215
0.033
ag
0.016
0.026
Why water ?-Thermodynamic
anomalies of water
critical point
critical point 250
K higher
other Group 6A
hydrides
374°C,
218 bar
specific heat
highest specific
heat of all liquids
except ammonia .
average
4444 J/kg K
heat of
vaporization
highest heat of
vaporization per
gram in comparing
of any liquid
under 1 bar
2740J/kg
Heat of sublimation
anomalously high
Heat of sublimation
2738 kJ/kg
Pressure/temperature
much larger than
for most other
materials
305°C under 92 bar
range of liquidity
under 92 bar
1340J/kg
Dewar conception with water inside
(cross-section),Pinside=92 bar
MLI- multi
layer gold
insulation
1) Inner
sphere
Water inside
Dewar
2) Outer
sphere
(rigid)
Temperature inside compartment
vs.time (days)from landing
T(tdays)
ToC
total mass
total power
evaporation
350
4
2
34
4
113
9
0.2
0.4
0.6
268 kg
16 W
Days after landing
500
300
250
200
150
heating
400
300
200
100
0
100
0.0
50
0.8
Diameter (meters)
0
0
100000
melting
200000
300000
400000
θ
θ=t(sec)*s/m
305 C, full evaporation
175 C, normal electronics
Пояснение к предыдущему
слайду
• Слева: полученный в результате интегрирования
дифференциального уравнения универсальный
график нагрева предварительно замороженной воды
в зависимости от нормированного времени
θ=t(sec)*s/m, где s-поверхность ПА, m- начальная
масса воды внутри ПА
• Справа: Графики длительности существования
(дней) в зависимости от внешнего диаметра ПА для
двух случаев- нижний- обычная (175 градусная кремниевая) электроника, верхний- полное
испарение при 305 С.На верхней абсциссе нанесены
также масса и поверхность ПА.
LLL on Venus surface
Принципиальная схема создания сейсмометра с
многокаскадным усилением с использованием в
качестве основного осциллятора посадочную станцию,
имеющую опоры с упругими элементами.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1- герметичный корпус станции, имеющей
общую массу m1 (за вычетом масс
осцилляторов с инертными массами (2)
m2 и (3) m3 и с собственными частотами
ƒ4; ƒ5);
2- инертная масса осциллятора
усилителя 1-го каскада;
3- инертная масса осциллятора
усилителя 2-го каскада;
4- упругий элемент сейсмометра посадочной станции (устанавливается во
всех опорах станции);
5- упругий элемент осциллятора
усилителя 1-го каскада;
6- упругий элемент осциллятора
усилителя 2-го каскада;
7- опоры станции;
8- дневная поверхность планеты;
9- якорь-фиксатор;
Геофизическая программа для долгоживущей
посадочной станции Венера.
( О.Б. Хаврошкин, В.В. Цыплаков)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Методы и аппаратурные решения задач
Регистрация сейсмоакустических волн, микросейсмических полей и т.п.
Аппаратура:
3-х компонентный широкополосный приемник, установленный на Венере
Общий вес – (механическая система + электроника внутри станции )- 0,8 кг;
Энергопотребление - 50 мВт; Габариты -10x10x10 см;
Режим функционирования - событийный, т.е. по превышению сигнала на входе в
систему.
компонентный высокочастотный сейсмометр, устанавливаемый либо внутри станции,
либо вне; возможен сброс в ударостойком варианте в отдельном микропенетраторе:
общий вес - сейсмометр + электроника - 0,250 кг; совместно с микропенетратором,
радиоизотопным источником и локальной телеметрией - 3,0 - 3,5 кг; перегрузки - 3.000 g.
Энергопотребление ~ 10 мВт.
2.
Регистрация динамических процессов в атмосфере.
Два специализированных устройства микрофонного типа - внешнего и внутреннего
размещения: Общий вес - 0,1 кг; Энергопотребление - 5 мВт.
3 Регистрация электромагнитных процессов в атмосфере. Возможен режим
приема бортовой
Исследование свойств грунта. Установка нескольких приемо-передающих электрических
и ультразвуковых источников в донной части посадочного кольца весом - 0,05 кг.
МИНИМАЛЬНЫЙ
долгоживущий модуль ДВС
суммарная
Мониторинг 1)Сейсмометр.
2)Метеокомплекс:
масса 20кг
сейсмики ,
датчики
(с
PTW,
температуры,
посадочным
давления, скорости
устройством и
ветра, Научная
парашютом на
нагрузка до 3кг.=1кг
внутри,
10 часов
2 кг снаружи.
спуска ,
диаметр 0.2 м
и
массой воды 4
кг.)
Время жизни
Оптимальный вариант
суммарная масса 50кг
(с посадочным
устройством и
парашютом на 10
часов спуска ,
диаметр 0.27 м и
массой воды 10 кг.)
Время жизни более
117 суток
1)Сейсмометр.
2)Метеокомплекс: датчики
температуры, давления, скорости
ветра, акустический датчик, датчики
электрического и магнитного поля.
Научная нагрузка до 6кг.=2кг
внутри,
4 кг снаружи
LLL INFORMATION
EVALUATION
MEASUREMENT
SENSOR
FREQUENCY
WORD
BIT RATE
TEMPERATURE
+
0.1 Hz
10 bit
1
PRESSURE
+
0.1 Hz
10 bit
1
LIGHT
?
0.1 Hz
10 bit
1
UV
+
0.1 Hz
10 bit
1
AEROSOL
?
0.1 Hz
10 bit
1
WIND
?
SEISMIC
TOTAL
?
0.1 Hz
0.1 Hz
10 bit
10 bit
1
1
7
POWER BALANCE OF LLL
• Taking into account factor of
transformation RF/DC 2 %, we shall
receive allowable capacity of the
transmitter 0.002- 0.02 W. From here by
recalculation from the above mentioned
American transmitter we shall receive the
maximal speed of transfer of the data,
• . [(0.002-0.02W) *50 kbit/s] /10 W =
• 10- 100 bits / сек
Выводы
-
-
Долгоживущий посадочный аппарат со временем жизни 1
венерианские сутки (117 дней) реален на современном
уровне техники.
Долгоживущий посадочный аппарат может быть
разработан на базе пассивной теплозащиты :вакуумной
ЭВТИ из золота или серебра, поглотителя тепла на базе
фазовых переходов воды при давлении 92 бар и
высокотемпературной (300oС) электроники. Такой аппарат
может не только долго находиться на поверхности, но
также долго спускаться в атмосфере (~10 часов).
Научная программа долгоживущего посадочного аппарата
должна быть сориентирована на процессы с большим
характерным временем и должна использовать
“микромощное” потребление энергии.
The review of "long-living"
landers
Lander
В9,10,11,
ДЖВС #1
12,13,14
Проект 1975
1975-78
ДЖВС #2
Venera-Д
Проект
1977
2016
Venera-Д
2016
"one month lander" "one
year"
Active time on
surface
2 hours
5 days
2 hours
month
month
5
1 year
months
insulation
Termoregulation
Теплоизолятор+ Теплоизолятор+
system
phase
phase change
no
phase change
dewar
+boiling
+boiling
water
water
no
change
Power
200
10
100
30
10
5
1
RF power
30
1
3
1
0.3
0.15
0.03
Electronics
50
50
50
500
310
310
500
temperature
THERMAL BATTERIES as
POWER SOURCE
anode
elecrtrolyte
cathode
Operating
temperature
capacity
production
Li4Si
LiCl, KCl,
LiF
FeS2
400-620 C
1 Ah/g
10 000 h/kg
0.1 A
Russia
THERMAL BATTERIES as
POWER SOURCE
• Development of batteries capable of operational temperatures of
380oC and 486C with a specific capacity 200 Wh/kg for use as a
power source on the Venusian surface and for planetary probes in
similar high temperature atmospheres and where ambient pressures
of 92 bar are to be expected. These conditions are well beyond most
conventional battery technologies, except those experienced by
thermally activated batteries that use a Li(Si)/FeS?2 couple. This
proposal provides for the novel approach of using proven expertise
from thermal batteries to develop high temperature space batteries.
The approach will be to first determine the optimum cell chemistry
from potential candidate systems and test via cells. Next, verification
of cell performance at temperatures will be made. Design of a robust
battery/cell container using super nickel alloys such as Inconel 718
will be made. Stress and dynamics analyses will be made on the
final mechanical design that will be verified by test.
zial
700
6000
5000
4006
000
С
3000
titanium
1000
0
100
200
300
400
T C
Черемухина З.П., Михайлов В.М., Бурданов А.В. (ЦНИИмаш),
Усачов В.Е. (МАИ), Дерюгин В.А. (НПО им. С.А.Лавочкина),
Засова Л.В., Экономов А.П. (ИКИ РАН),
Схема спуска спускаемого
аппарата
в
атмосферу
Венеры с долгоживущей
Отменить
отстрел
=10 часов в
атмосфере
=покрытие
большого
района !
станции.
Обозначения на рисунке:
ЛЭ – лобовой экран;
ПУ – парашют увода;
ЗК – задний кожух;
ТП – тормозной парашют.
3
Научная задача
Динамика атмосферы по T(H)
Структура и х. состав УФ поглотителя
Хим. состав под облаками (глоб.)
выше 60 км.
Молнии
Спектр размеров частиц в обл. слое
Хим. состав аэрозоля
Тепловой поток
T, P-метео
ОА
Балл.
Вега
Балл.
37 км
СА
1час
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
СА
Долг.
Научная задача
ОА
Балл.
Вега
Слои аэрозоля ниже 47 км
Динамика потоков в атмосфере
СА
1час
СА
Долг.
+
Рельеф поверхности с
пространственным разрешением
Хим. состав облачного слоя
Балл.
37 км
+
+
+
+
+
Вулканы, землетрясения
+
Изотопный состав
Турбулентность
Взаимодействие верхней и нижней
атмосферы и поверхности
Внутреннее строение (сейсмика)
+
+
+
+