zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
О космическом тепле и холоде
zelenyikot
В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос - это невообразимо холодное место, в котором самое главное - найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.


Фото космонавта Павла Виноградова

Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии - медленнее.

Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.

Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.

Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.

В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно. Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.

Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.

Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе - это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить "взаимоотношения" космического аппарата и Солнца.

Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ - экранно-вакуумная теплоизоляция, "золотая фольга", которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.



Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.



Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.

Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до - 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» - ещё ниже, до - 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.



Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что "Миллиметрон", что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.

На других, менее сложных аппаратах сброс тепла в космосе тоже осуществляется через излучение с радиаторов. Обычно их как раз и покрывают белой эмалью и стараются разместить либо параллельно солнечному свету, либо в тени. На метеоспутнике "Электро-Л" требовалось охладить матрицу инфракрасного сканера до -60 градусов Цельсия. Это было достигнуто при помощи радиатора, который постоянно держали в тени, а каждые полгода спутник разворачивали на 180 градусов, чтобы наклон земной оси не приводил к попаданию радиатора под солнечные лучи. В дни равноденствий спутник приходилось держать немного под углом, отчего на снимках появлялись артефакты у полюсов Земли.



Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.



Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.

При создании космических аппаратов требуется учитывать не только "взаимоотношения" аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется "Система обеспечения теплового режима" или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора - корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника "Даурии Аэроспейс".



Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.

Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры "Луноход-2" погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя "лунного трактора".



В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них - Александр Шаенко из "Даурии Аэроспейс", занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.

Поэтому нам в "Даурии" нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.

И если вам интересно исследование космоса, вы можете подписаться на мой блог.
zelenyikot


promo zelenyikot december 8, 07:51 25
Buy for 800 tokens
Я не только пишу о космосе, но могу и рассказать о любимых темах для широкой или узкой аудитории. За последние два года я уже провел несколько десятков лекций во многих городах России. Часто приглашают на фестивали науки, профориентационные мероприятия для студентов, на конференции и выставки.…

"Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, и плохо испускающей свое собственное, а во втором – белой эмалью, плохо поглощающей и хорошо изучающей."

Вот по этой фразе у меня крепкие сомнения. По-моему, способность нагретого тела излучать всё же от его цвета не зависит. Вот поглощать излучение - да.

"ПО-МОЕМУ, способность нагретого тела излучать всё же от его цвета не зависит" -

- Земля, по мнению Шуры Балаганова, на самом деле плоская, а её край находится за станцией Жмеринка.

(Deleted comment)
А все таки что почувствует человек если поместить его (гипотетически) в открытый космос в тень/под солнечные лучи?

На солнце - изжарится, в тени - да ничего особо не почувствует: теплопотери за счёт излучения слишком малы, а вот поглощение - достаточно велико. Но это если брать околоземную орбиту. Где-нибудь в районе Плутона разницы вообще не будет.

Отличный апгрейд старой статьи про "заблуждения о космосе" :) Спасибо!

"Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе".
Там ещё зеркальный внутренний слой используют, чтобы меньше терять через излучение.

Для этого поста хороша картинка корабля из фильма "Пекло". :-)

Edited at 2014-08-21 08:51 am (UTC)

Так что будет с человеком если он попадет в космос без скафандра, но с дыхательным аппаратом? Замерзнет? Кровь закипит? Или сможет продержаться какое то время?

снаружи будет нулевое давление.

черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, и

Эта сентенция несколько не соответсвует действительности.
Дело обстоит так, как описано в статье:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%A1%D1%82%D0%B5%D1%84%D0%B0%D0%BD%D0%B0_%E2%80%94_%D0%91%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%86%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0
Абслоютно "белое" тело (с альбедо = 1) вообще не будет излучать.

qlman, плюсую.

Edited at 2014-08-21 08:53 am (UTC)

Re: черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца,

Однако это не мешает красить радиаторы МКС в белый цвет.

http://mirkosmosa.ru/sites/default/files/images/2013/02/28/57.jpg

Вопрос отдалённо по теме. Фотка с выхода в открытый космос космонавтов Александра Скворцова и Олега Артемьева в понедельник. На фотке Олег Артемьев в скафандре «Орлан МК» (по клику на фото откроется в полном размере). На левой (для Олега) стороне скафандра в области живота имеются зеркальные надписи «тепло», «холод» и риски с метками от 0 до 4. Есть представления, соображения для чего это, как используется и т.д.?
Почему зеркальные надписи — понятно, потому что космонавт может их увидеть только с помощью зеркальца на рукаве.


Это регулирование теплообмена/обогрева скафандра, источником тепла является сам космонавт - но можно регулировать теплообмен. А у американцев есть ещё подогреватели в перчатках, а если мёрзнут ноги, то нужно "передать" тепло к ним с помощью воды, которая циркулирует по трубкам "костюма водного охлаждения" (КВО).

Я так подозреваю, что большинство вопросов будет про человека в космосе и что в связи с этим с ним будет :)

Чего-то не понял. То Шаенко уже не работает в "Даурии Аэроспейс", то "поэтому нам нужен специалист". Или это Зелёный кот работает там?

Шаенко уволился и вроде будет заниматься со студентами в МГТУ им. Баумана (работать на кафедре). В Даурии он занимался СОТРом и тепловыми/вакуумными испытаниями, теперь им нужен новый специалист по СОТРу КА.

Белый цвет плохо излучает и плохо поглощает. Черный хорошо поглощает, но и хорошо излучает.
Вакуум - это не когда вообще нет молекул. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. В этом смысле в космосе довольно низкий вакуум.

Тут заметили, что краска радиаторов должна быть белой в диапазоне излучения Солнца (5800 К) и чёрной в диапазоне излучения КА (0..400 K).

Конструкция радиаторов может очень сильно влиять на дизайн космического корабля. Вот наверное самый характерный пример:



Видео:



Это серьезный проект межпланетного космического корабля, предложенный доктором Эрнстом Штулингером в 1957 году - http://www.astronautix.com/craft/stus1957.htm

Огромный "зонтик" сверху - это радиатор системы охлаждения ядерного реактора (расположен в "низу" "ручки") и рабочей жидкости турбины, которая вырабатывала электричество, от которой запитывался цезиевый ионный двигатель, в центральной части "ручки".

Да, забавный зонтик.

Капельный метод?! А почему нет возможности сбрасывать лишнюю энергию не крашеными панелями а более энергичными излучателями, ну там той же нагретой вольфрамовой спиралью?

Сколько много различных преград на пути освоения космоса... Ибо знает Всевышний, что не за знаниями туда собирается человек, а - за наживой!

Все-таки, говорить о "температуре молекул" некорректно: у молекул нет температуры, температура есть только у макрообъектов. Фраза "Понятие температуры применимо к молекулам вещества, которые находятся в постоянном движении" физически неправильна в первой своей части. Ну и дальше есть неаккуратные формулировки.

Зато понятно :)

Кот как всегда всех запутал !

в статье надо бы упомянуть про такое противоречие при конструировании теплоотводящих систем для энергетических установок в космических аппаратах. С одной стороны, КПД любой тепловой машины зависит от разности температур между нагревателем и холодильником. Т.е., чем холоднее теплоотводящая система, тем лучше. А с другой стороны - т.к. отдача тепла идет только излучением, то эффективность зависит от четвертой степени температуры, т.е. холодильнику надо быть горячее... Вот и приходится идти на компромисс между мощностью силовой установки и ее КПД.

Это уже слишком глубоко. Припасу это объяснение, если когда-нибудь надумаю рассказать отдельно про ЯЭРДУ.

?

Log in

No account? Create an account