Устройство теплового выключателя увеличивает срок службы лунохода в суровом лунном климате

6 июня 2024, 17:37 / Наука → Новости / Наука

Устройство теплового выключателя увеличивает срок службы лунохода в суровом лунном климате. Автор: Shinichiro Kinoshita, Masahito Nishikawara

Астронавтам, управляющим транспортным средством по ландшафту Луны, придется столкнуться не только с опасностями, связанными с невесомостью и падением в кратеры, но и с проблемой резких колебаний температуры. Лунная среда колеблется между резкими максимумами 127°C (260°F) и холодными минимумами -173°C (-280°F).

Будущим миссиям по исследованию Луны потребуются надежные машины, способные работать в этих суровых условиях. Это побудило команду из Университета Нагои в Японии изобрести устройство с тепловым выключателем, которое обещает продлить срок службы лунных транспортных средств. Их исследование, проведенное в сотрудничестве с Японским агентством аэрокосмических исследований, было опубликовано в журнале Applied Thermal Engineering.

«Технология теплового переключателя, которая может переключаться между дневным рассеиванием тепла и ночной изоляцией, необходима для долгосрочного исследования Луны», — сказал ведущий исследователь Масахито Нисикавара. «В течение дня луноход активен, и электронное оборудование вырабатывает тепло. Поскольку в космосе нет воздуха, тепло, выделяемое электроникой, должно активно охлаждаться и рассеиваться. С другой стороны, в очень холодные ночи электроника должны быть изолированы от внешней среды, чтобы они не переохлаждались».

Современные устройства, как правило, используют нагреватели или пассивные клапаны, прикрепленные к петлевым тепловым трубкам для изоляции в ночное время

Ночная смена — работа в ночное время. Принятые Международной организацией труда «Конвенция 1919 года о труде женщин в ночное время» и «Конвенция 1919 года о ночном труде подростков в промышленности» вводят термин «ночь», означающий период продолжительностью 11 часов, который должен охватывать отрезок времени между 10 часами вечера и 5 часами утра. В последующем нормируемые параметры пересматривались и принимались конвенции для других категорий работников. «Конвенция 1990 года о ночном труде» устанавливает для термина «ночной труд» период продолжительностью не менее 7 часов подряд, включая промежуток между полуночью и 5 часами утра. Википедия

. Однако нагреватели стоят дорого, а пассивные клапаны могут увеличивать скорость потока жидкости, что приводит к падению давления, что может повлиять на эффективность теплопередачи.

Технология, разработанная командой Нишикавары, предлагает золотую середину. Благодаря более низкому перепаду давления, чем у пассивных клапанов, и более низкому энергопотреблению, чем у обогревателей, он сохраняет тепло в ночное время без ущерба для эффективности охлаждения в дневное время.

Устройство терморегулирования, разработанное командой, сочетает в себе петлевую тепловую трубку (КТТ) и электрогидродинамический (ЭГД) насос. В течение дня насос ЭГД неактивен, позволяя КТВ работать в обычном режиме. В луноходах LHP использует хладагент, который перемещается между паровым и жидким состояниями.

Когда устройство нагревается, жидкий хладагент в испарителе испаряется, выделяя тепло через радиатор марсохода. Затем пар конденсируется обратно в жидкость, которая возвращается в испаритель для повторного поглощения тепла. Этот цикл осуществляется за счет капиллярных сил в испарителе, что делает его энергоэффективным.

Ночью насос ЭГД создает давление, противоположное потоку КТП, останавливая движение хладагента. Электроника полностью изолирована от холодной ночной среды с минимальным потреблением электроэнергии.

Исследование группы включало выбор формы электродов ЭГД-насоса, конструкцию устройства, оценку производительности и демонстрационные испытания по остановке работы КТВ с ЭГД-насосом. Результаты показали, что энергопотребление в ночное время было практически нулевым.

«Этот новаторский подход не только обеспечивает выживаемость марсохода при экстремальных температурах, но также сводит к минимуму затраты энергии, что крайне важно в лунной среде с ограниченными ресурсами», — сказал Нисикавара. «Это закладывает основу для потенциальной интеграции в будущие лунные миссии, способствуя реализации устойчивых усилий по исследованию Луны».

Последствия этой технологии простираются не только на луноходы, но и на более широкое применение в управлении температурой космических кораблей. Интеграция технологии EHD в системы управления теплоносителем может повысить эффективность теплопередачи и смягчить эксплуатационные проблемы. В будущем это может сыграть важную роль в освоении космоса.

Разработка этого устройства с тепловым выключателем знаменует собой важную веху в разработке технологий для долгосрочных лунных миссий и других проектов по освоению космоса. Все это означает, что в будущем луноходы и другие космические корабли должны быть лучше оснащены для работы в экстремальных условиях космоса.

Больше информации: Masahito Nishikawara et al, Demonstration of heat switch function of loop heat pipe controlled by electrohydrodynamic conduction pump, Applied Thermal Engineering (2024). DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.123428

Источник: Nagoya University