У спекотні літні дні саме час поговорити про спеку і холод космосу. Завдяки науково-фантастичних фільмів, науково і не дуже науково-популярним передачам, у багатьох закріпилося переконання, що космос - це неймовірно холодне місце, в якому, найголовніше: знайти як зігрітися. Але насправді все набагато складніше.
Фото космонавта Павла Виноградова
Щоб розібратися тепло або холодно в космосі, треба спочатку повернутися до азів фізики. Отже, що таке тепло? Поняття температури може бути застосовано до молекул речовини, які знаходяться в постійному русі. При отриманні додаткової енергії, молекули починають рухатися активніше, а при втраті енергії - повільніше.
З цього факту випливає три висновки:
1) у вакууму температури немає;
2) в вакуумі є тільки один спосіб теплопередачі - випромінювання;
3) об'єкт в космосі, фактично групу рухомих молекул, можна охолодити, якщо забезпечити контакт з групою повільно рухаються молекул або нагріти, забезпечивши контакт з швидко рухається групою.
Перший принцип використовується в термосі, де вакуумні стінки утримують температуру гарячого чаю і кави. Точно так же перевозять зріджений природний газ в танкерах. Другий принцип визначає так звані умови зовнішнього теплообміну, тобто взаємодія Сонця (і / або інших джерел випромінювання) і космічного апарату. Третій принцип використовується при проектуванні внутрішньої конструкції космічних апаратів.
Коли говорять про температуру космосу, то можуть мати на увазі дві різні температури: температуру розсіяного в просторі газу або температуру тіла, що знаходиться в космосі. Як всі знають, в космосі вакуум, але це не зовсім так. Майже весь простір там, принаймні всередині галактик, наповнене газом, просто він настільки сильно розріджене, що не робить майже ніякого теплового впливу на вміщене в нього тіло.
У розрідженому космічному газі молекули зустрічаються вкрай рідко, і вплив їх на макро тіла, такі як супутники або космонавти, незначно. Такий газ може бути розігрітий до екстремальних температур, але через рідкість молекул, космічні мандрівники його не відчують. Тобто для більшості звичайних космічних апаратів і кораблів зовсім не важливо яка температура у міжпланетної і міжзоряного середовища: хоч 3 Кельвіна, хоч 10000 градусів Цельсія.
Важливо інше: що з себе представляє наше космічне тіло, який воно температури, і які джерела випромінювання є поблизу.
Головне джерело теплового випромінювання в нашій Сонячній системі - це Сонце. І Земля досить близько до нього, тому, на навколоземних орбітах дуже важливо налаштувати "взаємини" космічного апарату і Сонця.
Найчастіше рукотворні об'єкти в космосі намагаються укутати в багатошарове ковдру, що не дає тепла супутника йти в космос і не дозволяє променям Сонця підсмажувати ніжні нутрощі апарату. Багатошарове ковдру називається ЕВТІ - екранно-вакуумна теплоізоляція, "золота фольга", яка насправді не золота і не фольга, а покрита спеціальним сплавом полімерна плівка, схожа на ту, в яку загортають квіти.
Втім, в деяких випадках і у деяких виробників, ЕВТІ не схожа на фольгу, але виконує ту ж ізолюючу функцію.
Іноді деякі поверхні супутника спеціально залишають відкритими для того, щоб вони або поглинали сонячне випромінювання, або відводили в космос тепло зсередини. Зазвичай в першому випадку поверхні покривають чорною емаллю, сильно поглинає випромінювання Сонця, а в другому - білою емаллю, добре відбиває промені.
Бувають випадки, коли на борту космічного апарату прилади повинні працювати при дуже низькій температурі. Наприклад, обсерваторії «Мілліметрон» і JWST спостерігатимуть теплове випромінювання Всесвіту і для цього і дзеркалам їх бортових телескопів, і приймачів випромінювання потрібно бути дуже холодними. На JWST головне дзеркало планується охолоджувати до - 173 градусів Цельсія, а на «Мілліметроне» - ще нижче, до - 269 градусів Цельсія. Для того, щоб Сонці не нагрівало космічні обсерваторії, вони ховаються так званим радіаційним екраном: своєрідним багатошаровим сонячним парасолькою, схожим на ЕВТІ.
До речі, як раз для таких «холодних» супутників важливим стає невелике нагрівання від розрідженого космічного газу і навіть від що заповнюють весь Всесвіт фотонів реліктового випромінювання. Почасти тому, що "Мілліметрон", що JWST відправляють подалі від теплої Землі в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Крім сонячних парасольок на цих наукових супутниках буде складна система з радіаторами і багатоступінчатими холодильниками.
На інших, менш складних апаратах скидання тепла в космосі теж здійснюється через випромінювання з радіаторів. Зазвичай їх якраз і покривають білою емаллю і намагаються розмістити або перпендикулярно сонячному світлу, або в тіні. На метеосупутник "Електро-Л" було потрібно охолодити матрицю інфрачервоного сканера до -60 градусів Цельсія. Це було досягнуто за допомогою радіатора, який постійно тримали в тіні, а кожні півроку супутник розгортали на 180 градусів, щоб нахил земної осі не призводило до потрапляння радіатора під сонячні промені. У дні рівнодення супутник доводилося тримати трохи під кутом, від чого на знімках з'являлися артефакти у полюсів Землі.
Перегрів є однією з перешкод у створенні космічного апарату з потужним ядерним джерелом енергії. Електрика на борту виходить з теплоти з ККД набагато менше 100%, тому надлишок тепла доводиться скидати в космос. Традиційні, використовувані зараз радіатори були б занадто великими і важкими, тому зараз в нашій країні проводяться роботи по створенню крапельних холодильників-випромінювачів, в яких теплоносій у вигляді крапельок пролітає через відкритий космос і віддає йому тепло вивченням.
Головне джерело випромінювання в Сонячній системі - це Сонце, але планети, їх супутники, комети і астероїди, вносять свій вагомий внесок в теплове стан космічного апарату, який пролітає біля них. Всі ці небесні тіла мають своєю температурою і є джерелами теплового випромінювання, яке, до того ж, взаємодіє зі зовнішніми поверхнями апарату інакше, ніж більш «гаряче» випромінювання Сонця. А адже планети ще й відображають сонячне випромінювання, причому планети з щільною атмосферою відображають дифузно, безатмосферних небесні тіла - по особливому закону, а планети з розрідженою атмосферою типу Марса - ще зовсім інакше.
При створенні космічних апаратів потрібно враховувати не тільки "взаємини" апарату і космосу, але і всіх приладів і пристроїв всередині, а також і орієнтацію супутників щодо джерел випромінювання. Для того щоб одні не нагрівали інших, а треті не замерзали, і щоб підтримувалася робоча температура на борту, розробляється окрема службова система. Вона називається "Система забезпечення теплового режиму" або СЗТР. У неї можуть входити нагрівачі і холодильники, радіатори і тепловідводи, датчики температури і навіть спеціальні комп'ютери. Можуть використовуватися активні системи або пасивні, коли роль обігрівачів виконують працюючі прилади, а радіатора - корпус апарату. Саме така проста і надійна система створена для приватного російського супутника "Даурии Аероспейс".
Більш складні активні системи задіюють циркулює теплоносій або теплові труби, подібні до тих, що часто використовуються для відводу тепла від центрального процесора до радіатора в комп'ютерах і ноутбуках.
Дотримання теплового режиму, часто, виявляється вирішальним фактором працездатності апарату. Наприклад, чуйний до перепадів температури "Місяцехід-2" загинув через якийсь сміховинною жмені чорного реголіту на своєму даху. Сонячне випромінювання, яке вже не відбивалася теплоізоляцією, призвело до перегріву обладнання та виходу з ладу "місячного трактора".
У створенні космічних апаратів і кораблів, дотриманням теплового режиму займаються окремі інженерні фахівці з СЗТР.
Один з них - Олександр Шаенко з "Даурии Аероспейс", займався супутником DX1, і він допоміг у створенні даного матеріалу. Зараз Олександр зайнявся читанням лекцій про космонавтику і створенням власного супутника, який послужить популяризації космосу, ставши найяскравішим об'єктом в небі після Сонця і Місяця.
Щоб супутник став дороговказною зіркою для всіх тих, хто хоче доторкнутися до таємниць космосу, ми встановимо на апарат відбивач сонячного світла, який буде пускати гігантські сонячні зайчики на Землю. Ми хочемо зробити відбивач досить великим, щоб відображення Сонця на Землі теж були великими, тому робимо відбивач розкривається, нагадує цим подушку безпеки автомобіля.
До польоту на ракеті відбивач буде акуратно згорнутий всередині супутника, а після виходу на орбіту розправиться, наповнюючись газом. Як і в автомобілі, наша «подушка» зроблена з тонкої плівки. Ця плівка схожа на ту, якою обгортають квіти, тільки більш теплостійка.
За зберігання газу і його подачу в відбивач відповідає система розкриття. Важливо зробити так, щоб заправлений супутник був безпечний для людей при роботі з ним на землі і для інших супутників при їх спільному польоті на ракеті. Саме заради забезпечення безпеки ми не використовуємо високі тиску і агресивні хімічні реактиви для створення необхідного тиску в відбивачі.