Материалы по долговременной станции на поверхности Венеры

Федеральная космическая программа России 13. Создание космического комплекса для детального исследования атмосферы и поверхности Венеры, включающего спускаемый на поверхность Венеры аппарат с длительным сроком активного существования. 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: Запуск КА 2016 г. В предложении Совета по космосу РАН в Федеральную космическую программу России, (Приложение 2 к протоколу заседания Бюро Совета от ) было написано более ясно: вместо неопределенного длительного существования было: Срок активного существования спускаемого аппарата 30 дней. Срок активного существования орбитального аппарата 3 года.

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 ( °С) TM receiver (500°С) : 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] name KSB aerogelMLI Thermal conductivity W/(m*K) density 103 kg/m encapsulation - ++ vacuum --+

Flux calculation -nonlinear al au ag T 2 Q T 1 Q > = T Q < Q > = T Q Q= Q =( T T 1 4 ) / (2- ) Total 20 layers- 1 cm total, Micro quartz veil separators

Why water ?-Thermodynamic anomalies of water critical pointcritical point 250 K higher other Group 6A hydrides 374°C, 218 bar specific heathighest 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 under 92 bar 1340J/kg Heat of sublimationanomalously high Heat of sublimation 2738 kJ/kg Pressure/temperatur e range of liquidity much larger than for most other materials 305°C under 92 bar

Dewar conception with water inside (cross-section),P inside =92 bar Water inside Dewar MLI- multi layer gold insulation 2) Outer sphere (rigid) 1) Inner sphere

Temperature inside compartment vs.time (days)from landing T(t days ) total mass kg total power W T o C evaporation heating melting θ θ=t(sec)*s/m

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; Рис.4. А – В. Конструктивная схема упругого элемента опоры посадочной станции как элемента сейсмометра (основного осциллятора). А- Схема расположения посадочной станции на дневной поверхности планеты. Б- Внешний вид опоры. В- Конструктивная схема упругого элемента опоры. А. 1-корпус станции; 2- дневная поверхность; 3- опоры корпуса; 4- якоря-фиксаторы. Б. 1- верхняя часть опоры; 2- нижняя часть опоры; 3- корпус упругого элемента опоры; 4- дневная поверхность; 5- цилиндрическая часть якоря- фиксатора; 6- якорь В. 1,2- верхние и нижние части опоры соответственно; 3- корпус упругого элемента опоры; 4- опорный диск для пружины; 5- направляющие опорного диска; 6- срезаемые в момент посадки штифты- фиксаторы; 7- плоская пружина; 8- пьезокерамический преобразователь деформации пружины 9- направляющие для настройки упругого элемента; 10- фиксаторы корпуса 3; 11-кабель для передачи сигнала от 8.

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 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. 3Регистрация 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.

суммарная масса 20кг (с посадочным устройством и парашютом на 10 часов спуска, диаметр 0.2 м и массой воды 4 кг.) Время жизни 50 суток.=1/2 вс Мониторинг сейсмики, PTW, 1)Сейсмометр. 2)Метеокомплекс: датчики температуры, давления, скорости ветра, Научная нагрузка до 3кг.=1кг внутри, 2 кг снаружи. МИНИМАЛЬНЫЙ долгоживущий модуль ДВС

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 MEASUREMENTSENSOR FREQUENCYWORDBIT RATE TEMPERATURE+ 0.1 Hz10 bit 1 PRESSURE Hz10 bit 1 LIGHT ? 0.1 Hz10 bit 1 UV+ 0.1 Hz10 bit 1 AEROSOL ? 0.1 Hz10 bit 1 WIND ? 0.1 Hz10 bit 1 SEISMIC ? 0.1 Hz10 bit 1 TOTAL 7

POWER BALANCE OF LLL Taking into account factor of transformation RF/DC 2 %, we shall receive allowable capacity of the transmitter W. From here by recalculation from the above mentioned American transmitter we shall receive the maximal speed of transfer of the data,. [( W) *50 kbit/s] /10 W = 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 (300 o С) 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 использоватьмикромощное потребление энергии.

The review of "long-living" landers

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.

Схема спуска спускаемого аппарата в атмосферу Венеры с долгоживущей станции. Обозначения на рисунке: ЛЭ – лобовой экран; ПУ – парашют увода; ЗК – задний кожух; ТП – тормозной парашют. 3 Отменить отстрел =10 часов в атмосфере =покрытие большого района ! 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),

Научная задачаОАБалл. Вега Балл. 37 км СА 1час СА Долг. 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 +++

Научная задачаОАБалл. Вега Балл. 37 км СА 1час СА Долг. Слои аэрозоля ниже 47 км + Рельеф поверхности с пространственным разрешением + Хим. состав облачного слоя ++ Динамика потоков в атмосфере ++ Вулканы, землетрясения + Изотопный состав Турбулентность ++ Взаимодействие верхней и нижней атмосферы и поверхности + Внутреннее строение (сейсмика) +