Высшие достижения механики в космических исследованиях
Самую негостеприимную планету Солнечной системы сможет исследовать самый надежный космический аппарат. Зонд AREE — хай-тек без микросхем и проводов. Никакой электроники, только старая школа и верная механика.
Не ту планету назвали Венерой: характер нашей ближайшей соседки внушает не любовь, а скорее трепет. И главной ее «бедой» оказалась атмосфера. Невероятно плотная, она состоит из углекислого газа и создает убийственный парниковый эффект, смертельные температуры и давление. Ураганы, скорость которых может превышать 700 км/ч, несут плотные облака сернистых газов, которые подпитываются рекордным для планет Солнечной системы числом вулканов. Все это затрудняет изучение Венеры даже с орбиты, не говоря уж о спускаемых аппаратах. Но тем больше жертв ей приносят с Земли.
Впервые эту нелегкую планету посетила советская станция «Венера-3», разбившаяся о ее поверхность в 1966 году. Следующие аппараты погибли в атмосфере, и только седьмой, хотя и пострадал при посадке, проработал еще около 20 мин., передав новые пугающие данные о местном климате. Но главным героем освоения соседней планеты стала «Венера-9», которая в 1975 году продержалась целых два часа. Защита зонду потребовалась соответствующая: так, бортовой фотоаппарат был укрыт за 12-сантиметровой композитной теплоизоляцией, в герметичном отсеке с расплавленной солью для поглощения тепла и титановой оболочкой, способной выдержать огромное давление.
Съемка велась сквозь толстое кварцевое стекло, через перископ, залитый тем же солевым расплавом, но к концу работы камера все равно раскалилась выше 60°C и погибла. Полученные ею панорамы впервые показали землянам настоящую поверхность Венеры, и ученые окончательно убедились, что ничего хорошего нас здесь не ждет. Если мы хотим лучше изучить этот яростный мир, спускаемым аппаратам понадобятся другие решения — новая термостойкая электроника или проверенная временем механика, как у проекта AREE, построенного с использованием высоких технологий прошлого.
Планета Инферно
Расстояние до Солнца: 108 млн км (0,72 земного)
Радиус: 6050 км (0,95 земного)
Ускорение свободного падения:8,87 м/с2 (0,91 земного)
Местный год: 224,7 земных дней
Оборот вокруг своей оси: 243,0 земных суток
Температура и давление у поверхности: 467°C, 9,3 МПа (93 атм.)
Магнитосфера: нет
Спутники: нет
Климатический кошмар
Венеру называют «злым близнецом» Земли: когда-то она была куда спокойнее, с умеренным климатом и даже водоемами. Однако в какой-то момент парниковый эффект словно сорвался с цепи и за считаные миллионы лет привел планету в теперешнее страшное состояние. Ученые давно пытаются выяснить детальный сценарий этой климатической катастрофы.
Суперротация атмосферы
Практически вся венерианская атмосфера — это один гигантский ураган, скорость которого превышает скорость вращения самой планеты. Считается, что его движение подпитывается Солнцем: Венера находится к нему примерно на треть ближе нас, но получает при этом вдвое больше энергии. Впрочем, детали этого механизма пока плохо понятны.
Грозы и молнии
На рисунках Венеры небосклон постоянно усеян молниями. Действительно, в ее атмосфере часто, но нерегулярно регистрируются всплески активности, которые обычно связывают с молниями. Однако самих вспышек так до сих пор никто и не видел. К тому же накопление заряда и возникновение молний в ее сернистых облаках должно происходить иначе, чем в наших водяных.
Ретроградное вращение
Планеты Солнечной системы вращаются в ту же сторону, что и сама звезда. Только Венера и Уран демонстрируют обратное, ретроградное вращение. Возможно, что в такое «противоестественное положение» соседняя планета попала после соударения с каким-то массивным небесным телом. Было бы интересно найти геологические следы этого столкновения.
Следы жизни
Если в прошлом Венера действительно была довольно комфортным миром, то не могла ли здесь появиться жизнь? Впоследствии, когда климат планеты стал невыносим, некоторые организмы могли бы сохраниться в верхних, довольно спокойных слоях атмосферы. Впрочем, этой проблемой займутся будущие атмосферные и орбитальные зонды, а спускаемый AREE будет работать на поверхности.
Производство энергии
Солнечная и ночная части венерианских суток длятся по 50 ч, что может создать большие проблемы для зондов, питающихся от солнечных батарей. Использование радиоактивных источников (РИТЭГов) при местных температурах требует еще не существующих технических решений. Зато ураган здесь не утихает, обещая постоянный приток энергии от ветрогенератора. AREE будет использовать устойчивый к резким порывам и быстрым скоростям вертикальный ротор Савониуса, ось которого пройдет через центр тяжести аппарата. Подсчитано, что он сможет выдавать около 3,2 Вт·ч: для преодоления 100 м зонду хватит 7,9 ч зарядки, и он сможет двигаться 8-часовыми циклами, проходя за 24 ч до 300 м. Если AREE прослужит на Венере хотя бы три года, он сможет проехать до 100 км и изучить не только равнины, но и тессеры к северу от горы Сехмет. Оценка массы системы: 30 кг.
Система управления
Первые вычислительные устройства были механическими и использовали сложные системы передаточных колес. Пика развития они достигли в годы Второй мировой, когда простые и надежные механизмы использовались в прицелах для бомбометания и артиллерийской стрельбы. С тех пор их практически вытеснила кремниевая электроника, но сам подход может оказаться идеальным для космического зонда-экстремала. Например, при наезде одной из гусениц на препятствие это «почувствует» трансмиссия, которая автоматически переведет ее на задний ход, не требуя сложнейших вычислений, которые проводят куда более совершенные марсоходы. Даже часы для работы внутренних систем предполагается использовать механические, подобные старинным хронометрам Джона Гаррисона, только более компактные, точные и в полностью герметичном корпусе. Оценка массы системы: 46 кг.
Данные и связь
Первый очевидный способ аналогового хранения и передачи данных предлагают, конечно, фонографы (1877 год): данные можно записывать на металлическую пластинку и отправлять на надувных шарах в верхние слои атмосферы, где их сможет подхватить атмосферный зонд. Однако такой подход был признан слишком сложным, дорогим и ненадежным. Скорее всего, AREE использует еще более древнее изобретение и будет сохранять информацию в виде комбинации иголок на поверхности вращающегося цилиндра или ленты — как шарманка. Для передачи их на орбитальный зонд аппарат планируется оснастить уголковыми отражателями. Меняя их положение, AREE позволит «партнеру» на орбите видеть бинарный сигнал и получать данные, как это делали еще во времена телеграфа и морзянки, — на скорости порядка 1000 бит/с. Масса системы предварительно оценивается в 79 кг.
Научное оборудование
Термометр, барометр, XVI–XVII века
Провести базовые измерения без использования электронных датчиков не представляет никакой трудности. И на Земле сейсмометры, термометры, барометры, анемометры для измерения скорости ветра часто бывают механическими. Изучить химический состав атмосферы или пыли позволят твердые индикаторы, проволочки, содержащие вещества, которые точно связывают нужные молекулы и становятся хрупче, что легко обнаружит пружинный динамометр. Однако полноценные минералогические исследования все-таки потребуют и электроники, и электричества для питания. Для этого и рассматриваются возможности размещения на борту AREE небольших солнечных батарей и термостойких микросхем — впрочем, научная нагрузка миссии будет прорабатываться на следующих этапах работы. Оценка массы: 150 кг.
Передача и движение
Первоначально на AREE планировали использовать механические шагающие устройства. Однако после консультаций со всемирно известным специалистом по таким системам, нидерландским художником Тео Янсеном они были признаны недостаточно надежными. Текущая концепция миссии опирается на схему «ромбовидных» танков Первой мировой войны, с гусеницами, обхватывающими корпус по периметру. Подсчитано, что они позволят AREE преодолевать препятствия высотой до 1,1 м и переворачиваться при опрокидывании, и при этом не создадут помех для работы расположенного в центре конструкции ветрогенератора. Усилие на колеса можно передавать напрямую с ротора или пружины. Ориентировочная масса системы: 327 кг.
Накопление энергии
Пружинный аккумулятор из термостойкого композита: плотность накопления энергии (около 0,75 Вт/кг) у него больше, чем у гравитационных систем с грузами, а простота и надежность — выше, чем у вращающихся маховиков. Рассматривается применение дополнительных накопителей для питания ресурсоемких операций. Среди них — пневматический аккумулятор, использующий давление сжатого в герметичной камере воздуха, и батареи на расплаве натриевых солей. «Если соответствующие технологии будут созданы в необходимое время», — добавляют разработчики. Оценка массы: 25 кг.
Роман Фишман
«Популярная механика» №1, 2019
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|
Советский зонд «Венера-9» и снятые им панорамы