Орбиты вокруг Земли впервые достиг Юрий Гагарин из Советского Союза в 1961 году, и с тех пор беспилотные космические аппараты достигли всех планет Солнечной системы.
Звук в космосе. Возможно ли это?
Как известно, характеристика звуковых волн, отличающая их от электромагнитных или гравитационных волн, заключается в том, что они могут распространяться только в резиновой, непрерывной среде. Есть пробелы в пространстве. Типичная плотность материалов в межзвездном пространстве составляет около 10-6-10 человек на кубический метр (в основном водорода) при температуре T = 2,7 K (т.е. -270°C). Согласно соответствующим законам молекулярной физики, скорость RMS такого индивида составляет r = 8,3 дж / (моль — степень) — газовая постоянная, m — молекулярная масса. Для индивидуального водорода m = 10 -3 кг/моль. Таким образом, для атомов водорода в межзвездном пространстве среднеквадратичная скорость составляет около 250 м/с.
В таких ситуациях один водородный человек сталкивается с другим каждые несколько сотен миллионов секунд. Это означает, что частота столкновений равна n ˜ 3-10-10 -10 с -1, а расстояние от столкновения до столкновения λ = vCP / n ~ 10 9 км (длина бесплатного маршрута) — 1 млрд. км. Если предположить, что длина звуковой волны заведомо больше длины свободного пути и что частота звука меньше частоты столкновения, то это означает, что частота колебаний звука меньше одной миллиардной части секунду (менее 10-9 Гц).
Такие звуки не воспринимаются человеческим слухом, характеризуются частотным диапазоном 20-20000 Гц. Однако, поскольку Вселенная — это огромное пространство (около 46 миллиардов лет света или 43-1022 километра) и достаточно древнее время (около 14 миллиардов лет), звуки имеют возможность появляться в разных частях Вселенной на разных этапах его развития. Кроме того, звук является очень полезным инструментом для изучения Вселенной.
Попробуйте совершить путешествие в пространстве и времени, ведь чем глубже вы сможете заглянуть в глубины Вселенной, тем больше вы сможете найти более древних этапов его истории. Начните свое путешествие по Солнечной системе с планеты Земля.
Звук на Земле
Как вы знаете, звук — один из самых распространенных способов общения между животными и людьми. Но самое главное, звук также является отличным инструментом для ассоциации с нашей планетарной средой, атмосферой, океанами и структурой (см., например, статью Физика звука в журнале «Квант» №12 за 2018 год).
Сначала давайте вкратце рассмотрим, как мы изучаем звук на Земле. Гравитация Земли создала многоуровневую структуру из атмосферы, океанов и коры. Таким образом, на Земле есть условия для существования звуковых каналов, которые позволяют звуку преодолевать большие расстояния без существенного ослабления. Скорость звука увеличивается с ростом температуры и зависит от скорости атмосферных ветров или океанских течений. В коре скорость звука зависит от плотности и структуры материала, что позволяет сейсмологам обнаруживать подповерхностные залежи полезных ископаемых. Проходя большие расстояния через океан, звук чувствителен к незначительным изменениям средней температуры океана, что может служить показателем глобального потепления (рис. 1). Акустические трассы различного сечения используются для акустической томографии, которая позволяет получить 4D изображение (3D пространство и время) океанических процессов.
Рисунок 1.Схема акустических океанографических измерений температуры (ATOS). Он измеряет время, необходимое звуку для преодоления больших расстояний между Гавайями, Алеутскими островами и Калифорнией. Это время зависит от температуры среды
Существуют различные акустические методы и инструменты для изучения структуры земной коры, океанов и атмосферы. Тогда возникает естественный вопрос: можем ли мы взять их с собой в космос, чтобы исследовать другие планеты? Ответить на этот вопрос непросто. Существует несколько важных ограничений, которым должно соответствовать исследование космоса, и не все методы, которые мы знаем и используем на Земле, отвечают этим ограничениям.
Первое, и, возможно, самое серьезное ограничение — это вес полезной нагрузки. Транспортировка оборудования в космос очень дорога, а многие акустические технологии (особенно те, которые связаны с низкочастотными источниками) требуют тяжелого оборудования. Во-вторых, энергопотребление оборудования ограничено. В космосе для питания космических аппаратов приходится полагаться на тяжелые батареи и солнечные панели. В-третьих, существует конкуренция за проведение исследований различными методами. Электромагнитные и гравитационные волны не требуют упругой среды для распространения и поэтому могут быть использованы для дистанционного зондирования, в отличие от акустических методов, которые требуют установки оборудования на планете. Поэтому акустические методы полезны там, где нет конкуренции. В основном это изучение проводящих сред: живых существ, океанов и внутренней структуры планет, куда электромагнитные волны не могут проникнуть. Наконец, необходимо учитывать тот факт, что акустические методы не всегда оказывают на других планетах тот же эффект, который мы знаем о Земле. Эффективность акустических методов зависит от условий окружающей среды, в которых они используются, а давление, температура, плотность и химический состав других миров, как правило, сильно отличаются от тех, которые мы до сих пор использовали на Земле.
Исследование Луны
Рисунок 2. Лунные посадки16
Начало исследований лунных приборов относится к 1959 году, когда спутник впервые достиг поверхности нашей Луны. Это была советская станция «Луна-2». В 1969 году американский космический корабль «Аполлон-11» совершил первый полет на Луну. Этот и последующие полеты (последним был «Аполлон-17» в 1972 году) позволили провести многочисленные наблюдения Луны и доставить на Землю образцы лунного грунта. В то же время Советский Союз запустил ряд беспилотных лунных обсерваторий («Луна-16» в 1970 году и более поздняя «Луна-24» в 1976 году) для изучения Луны и передачи лунной поверхности на Землю (рис. 2).
Автоматические лунные обсерватории были доставлены в реголитовое ядро Луны, появившись в результате бурения на глубине более двух метров. Для обеспечения такого бурения и получения ненарушенного керна также использовалось ультразвуковое нарушение бурения. Этот метод ультразвукового бурения Луны позволил получить высококачественные образцы керна, демонстрирующие структуру лунного реголита. Анализ результатов этих миссий позволил получить первые убедительные доказательства присутствия воды на Луне. Гораздо позже, в 1990-х годах, американцы добились аналогичных результатов. Они нашли воду в структуре лунного грунта!
Хотя в ходе исследований «Аполлона» были измерены различные физические поля на лунной поверхности, именно акустические методы позволили получить достаточно подробную картину внутреннего строения Луны. Акустические сигналы могли быть вызваны запусками возвращаемых ракет или физическими возмущениями на лунной поверхности (включая удары метеоритов). Сигналы, возбужденные на поверхности, распространяются вглубь Луны, где они рассеиваются и отражаются обратно к внутренней структуре. С помощью серии сейсмических приемников, установленных на лунной поверхности, акустические сигналы, рассеянные от внутренних структур, были записаны и переданы на Землю по радио.
Рисунок 3.Внутренние структуры Луны.
Хотя сейсмические и другие эксперименты на Луне закончились в 1977 году, стоит отметить, что данные, полученные с лунных сейсмических датчиков, были обработаны в 2010 году с помощью современных вычислительных средств. Интересно, что эта обработка выявила новый тип лунного ядра. Он представляет собой твердое ядро, окруженное жидким внешним ядром и слоем частично расплавленной магмы (рис. 3).
Опыт, полученный при сейсмических исследованиях Луны, был успешно применен для изучения астероидов. Автоматические станции размещают сейсмические датчики на поверхности астероидов для обнаружения антропогенных или природных возмущений и отражений на их внутренних структурах.
После того как Плутон был исключен из списка планет Солнечной системы, Меркурий теперь считается самой маленькой из всех планет. Поскольку эта планета находится ближе всего к Солнцу, можно предположить, что она самая теплая. Однако это не так. Кроме того, Меркурий на самом деле относительно холодный.
Человек в космосе без скафандра
Миф №1: Человек без скафандра взорвется в космосе.
Это, пожалуй, один из самых старых и распространенных мифов. Некоторые люди верят, что если человек без специальной защитной одежды вдруг окажется в космосе, то он просто распадется.
В этом есть своя логика. Поскольку в космосе нет давления, если человек поднимется слишком высоко, он сдуется и лопнет, как воздушный шар. Однако в действительности наши тела не такие упругие, как воздушный шар. Наши тела настолько прочны, что мы не можем расплавиться в космосе. Хотя это правда, что он может немного взорвать нас, наши кости, кожа и другие органы не настолько хрупки, чтобы расплавиться в мгновение ока.
На самом деле, многие люди, находясь в космосе, подвергались воздействию невероятно низкого давления. В 1966 году астронавт испытывал свой скафандр, когда на высоте более 36 км произошла разгерметизация. Он потерял сознание, но не взорвался и позже полностью восстановился.
Миф №2: Люди без скафандров замерзают в космосе.
Этому заблуждению способствовало множество фильмов. Во многих из них одного из персонажей можно увидеть снаружи космического корабля без скафандра. Он сразу же начинает замерзать и превращается в лед после некоторого пребывания в космосе. На самом деле, все обстоит с точностью до наоборот. В космосе никогда не бывает слишком холодно, но бывает перегрев.
Миф №3: Человеческая кровь закипает в космосе.
Этот миф связан с тем, что температура кипения жидкости напрямую зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот. Это объясняется тем, что чем ниже давление, тем легче жидкость превращается в газ. Поэтому разумно предположить, что в пространстве без давления жидкости, включая человеческую кровь, будут быстро закипать и испаряться.
Линия Армстронга — это значение, при котором жидкости испаряются при очень низком атмосферном давлении и при температуре, равной температуре тела. Однако это не относится к крови.
Например, испаряются жидкости организма, такие как слюна и слезы. Мужчина, испытавший такое низкое давление на высоте 36 км, сказал, что у него пересохло во рту, так как вся слюна испарилась. В отличие от слюны, кровь находится в замкнутой системе, и ее вены могут оставаться жидкими даже при очень низком давлении.
Миф №4: Солнце — это яркая сфера
Солнце — это космический объект, который привлекает большое внимание в астрономических исследованиях. Это гигантский огненный шар, вокруг которого вращаются планеты. Он идеально расположен на расстоянии жизни от нашей планеты и излучает достаточно тепла.
Многие люди имеют неверные представления о Солнце, считая, что оно действительно горит как огонь. На самом деле, это большой шар газа, который выделяет свет и тепло в результате ядерного синтеза, который происходит, когда два атома водорода соединяются вместе, образуя Солнце.
Черные дыры в космосе
Миф №5: Черные дыры имеют воронкообразную форму
Многие люди считают черные дыры гигантскими воронками. Именно так эти объекты часто изображаются в фильмах. На самом деле черные дыры практически «невидимы», но чтобы дать представление о черной дыре, художники часто изображают ее в виде вихря, поглощающего все вокруг.
В центре вихря находится то, что кажется порталом в подземный мир. Настоящие черные дыры похожи на шары. Не существует «дыры», через которую он может быть поглощен. Это просто объект с очень высокой гравитацией, который притягивает все, что находится в его зоне.
Хвост кометы
Миф №6: У комет огненные хвосты.
Представьте на мгновение, что вы перенеслись в обусловленный кармой мир Эрла. Ваше воображение, вероятно, представляет себе кусок льда, стремительно несущийся сквозь пространство и оставляющий за собой яркий след.
В отличие от метеоритов, которые взрываются в атмосфере и погибают, кометы не имеют хвоста из-за трения. Кроме того, он не распадается при движении в пространстве. Хвост образуется под воздействием тепла и солнечного ветра, который растапливает частицы льда и пыли, удаляющиеся от тела в направлении, противоположном движению кометы.
Опыт, полученный при сейсмических исследованиях Луны, был успешно применен для изучения астероидов. Автоматические станции размещают сейсмические датчики на поверхности астероидов для обнаружения антропогенных или природных возмущений и отражений на их внутренних структурах.
Принцип работы СОГС
Каждое новое поколение космических аппаратов оснащалось усовершенствованной системой SOGS. Например, СОГС космического корабля «Союз» включает газоанализатор, блок вентиляторов, регенератор с фильтрами и поглотитель углекислого газа для поглощения вредных газов и пыли. При изменении парциального давления кислорода газоанализатор посылает сигнал на исполнительные механизмы. Привод распределяет газовую смесь между регенератором и абсорбером, тем самым регулируя скорость реакции регенератора и скорость поглощения углекислого газа и вредных загрязняющих веществ. .
В первой долговременной орбитальной станции «Салют» принцип работы СОГС остался неизменным. Были добавлены дополнительные блоки поглощения углекислого газа. В связи со значительным увеличением объема кабины были установлены воздуховоды и вентиляторы движения. Дополнительные фильтры загрязняющих веществ были способны поглощать выбросы от материалов станции и продуктов работы экипажа (аммиак, монооксид углерода, сероводород, ацетон, жирные кислоты, углеводороды и т.д.). Система обеспечения Международной космической станции воздухом для дыхания включает в себя сложные многокомпонентные устройства, которые взаимодействуют между собой
Международная космическая станция.
Основной системой подачи кислорода в герметичный отсек МКС является российская «электронная» система, которая работает по принципу расщепления воды на кислород и водород (водород удаляется над станцией). Все системы жизнеобеспечения МКС являются двойными на случай отказа. Электронная резервная система представляет собой твердотопливный кислородный генератор (SGO). Кислород в генераторе производится с помощью гранул, содержащих кислородсодержащее вещество в твердой форме. Гранулы «воспламеняются» (это, конечно, не открытый огонь), и в процессе горения выделяется кислород. Температура в гранулах может достигать +450°C. Человеку требуется около 600 литров кислорода в день. В зависимости от типа зажигалки при сгорании выделяется от 420 до 600 литров кислорода.
Кроме того, кислород доставляется на МКС в газовых баллонах высокого давления кораблем снабжения «Прогресс». Как уже упоминалось ранее, для нормальной жизни на станции углекислый газ должен быть удален из атмосферы.
Обратите внимание, что избыток углекислого газа в атмосфере гораздо опаснее, чем уменьшение количества кислорода. Это иллюстрирует тот факт, что некоторые производители домашних кондиционеров пытаются представить «насыщение кислородом» помещения как преимущество.
Вид на космические корабли «Союз» и «Аполлон». Момент швартовки — вид со спутника.
На обоих космических кораблях системы теплоносителя и терморегулирования радиаторов установлены практически одинаково в отсеках оборудования и приборов «Союза» и в служебных отсеках «Аполлона». Радиаторы окрашены в белый цвет, чтобы уменьшить нагрев от солнечных лучей. Кабина экипажа корабля «Союз» и спускаемые аппараты обернуты в космическую «шубу» (изоляция вакуумного экрана). Для этого нет никаких оснований. Лучше бороться с углекислым газом.
Основным средством для очистки атмосферы от углекислого газа на борту МКС является система «Воздух»
Принцип работы системы заключается в адсорбции (поглощении) углекислого газа и последующей регенерации вакуумного абсорбционного картриджа.
Группа загрязнения воздуха (AMU) удаляет вредные газообразные примеси из воздуха на станции. Это также система регенеративного типа; картриджи работают в режиме очистки в течение 18-19 дней, а затем регенерируются. Основной функциональный компонент, картридж для очистки воздуха, имеет срок службы три года, но не требует замены даже после 10 лет работы системы. Газоанализатор показывает отличные атмосферные условия.
Кроме того, избыточная система поддерживает нормальную конфигурацию атмосферы.
- Одноразовые абсорбирующие картриджи, которые
- фильтры, для удаления загрязняющих веществ и дыма.
- Также имеется система дезинфекции воздуха «Поток», которая работает автоматически каждые 24 часа. Он работает автоматически в течение шести часов каждый день для дезинфекции атмосферы МКС.
Теперь рассмотрим работу систем терморегулирования
Его назначение — поддерживать температуру и газовую среду (атмосферу) находящегося под давлением жилого космического корабля. Для сравнения, на поверхности Земли температура окружающей среды в среднем составляет от -15 до + 40°C, а окружающая среда (воздух за окном) бывает холодной или горячей. На орбите условия эксплуатации космических кондиционеров совсем другие. Очевидными тепловыми эффектами во время орбитального полета являются солнечная радиация и тепло, выделяемое оборудованием, работающим на борту.
На солнечной стороне орбиты поверхность космического аппарата, обращенная к солнцу, интенсивно нагревается (при этом противоположная сторона остается холодной). На затененной стороне орбиты космический аппарат более холодный. В этом случае температура поверхности космического аппарата может колебаться в очень широком диапазоне от + 200 до — 200°C. Тепловые выбросы от внутренних источников (оборудование, агрегаты и сам экипаж) достигают значительных значений и постоянно увеличиваются по мере усложнения задач экипажа. Например, на американском космическом корабле Gemini тепловыделение от бортового оборудования составляло около 500-600 ккал/час, а собственное тепловыделение астронавтов — около 230 ккал/час (т.е. в общей сложности около 1 кВт). Современная Международная космическая станция уже излучает около 70-80 кВт (!). ). Подчеркнем — с этого момента мы будем говорить только об орбитальной части миссии. Входная часть на орбиту и, главным образом, спуск с орбиты требуют собственных решений.
Поэтому разработчикам космических аппаратов (КА) — транспортного средства и станции — необходимо решить две противоположные задачи.
В отечественной космической технике для их решения используется система под названием СОТР (система обеспечения тепловых функций).
СОТР является второй основной частью системы кондиционирования воздуха в космосе.
СОТР представляет собой набор различных приборов и устройств, которые регулируют внешний и внутренний теплообмен космического аппарата. STRS включает в себя:.
- Пассивное терморегулирующее оборудование (SPTR). PTRS — это набор конструктивных элементов, обеспечивающих заранее заданные параметры теплообмена излучением и теплопроводности (терморегулирующие покрытия, изоляция и тепловая защита, тепловые мосты и термическое сопротивление).
- Набор активных средств управления тепловыми процессами называется системой терморегулирования (TMS). RTR состоит из вентиляционной системы, жидкостного контура с теплообменниками, средств для регулирования теплового потока и активных средств для регулирования лучистого теплообмена.
Обзор МКС. Красные стрелки указывают на тепловое излучение МКС.
Главное в STRS — это тепловая защита, своего рода космический «плащ». Только в космосе он служит не только для обогрева, но и для изоляции конструкции космического корабля. В качестве такого «покрытия» служит так называемая экранно-вакуумная изоляция (ЭВТИ). Она многослойна и требует тщательного выбора материалов. Пошив» и «одевание» «пальто» космического корабля является высокотехнической задачей.
