Σχεδιασμός Εκεί Όπου Τελειώνουν οι Δρόμοι
Η Γη βοηθά σιωπηλά κάθε όχημα που κατασκευάζουμε: ο ατμοσφαιρικός αέρας μεταφέρει θερμότητα από τους δίσκους των φρένων και τα τυλίγματα των κινητήρων, το οξυγόνο αναδημιουργεί προστατευτικά οξειδωμένα στρώματα στα χαλύβδινα γρανάζια και το υγρό νερό κυλά την κοφτερή άμμο χαλαζία σε λείους κόκκους. Αφαιρέστε την ατμόσφαιρα και την υδρόσφαιρα της Γης και τα συνηθισμένα στοιχεία μηχανών καταστρέφονται μόνα τους μέσα σε ώρες.
Περιορισμοί Σχεδιασμού Αποστολής
Τρισδιάστατη Τεχνική Απόδοση • Σφραγισμένο Κέντρο & Λαβύρινθος Σκόνης
Το Regolith & το Πρόβλημα της Ηλεκτροστατικής Σκόνης
Ρωτήστε οποιονδήποτε αστροναύτη του Apollo, από τον Gene Cernan έως τον Harrison Schmitt, τι τον εξέπληξε περισσότερο στη δουλειά στη Σελήνη, και η απάντηση είναι σχεδόν πάντα η σκόνη.
Τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια βομβαρδισμού από μικρομετεωρίτες, χωρίς διάβρωση από άνεμο ή νερό, μετέτρεψαν σε σκόνη τον σεληνιακό ανορθοσίτη και τον βασάλτη των maria, σχηματίζοντας μια κακώς διαβαθμισμένη ιλύ με μέσο μέγεθος κόκκων μεταξύ 40 και 130 μικρομέτρων, που περιλαμβάνει και ένα διάχυτο κλάσμα κάτω των 10 μικρομέτρων. Μικροσκοπικές προσκρούσεις λιώνουν μικροσκοπικές σταγόνες πυριτικού γυαλιού που συγκολλούν αιχμηρά θραύσματα ορυκτών σε τραχιές, αλληλοσυνδεόμενες δομές που ονομάζονται αγλουτινάτες, με σκληρότητα 6 έως 7 στην κλίμακα Mohs, δηλαδή πιο σκληρές από το δομικό αλουμίνιο και το ανοξείδωτο ατσάλι.
Χειρότερα, τα φωτόνια της υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας αποσπούν ηλεκτρόνια από τους φωτισμένους κόκκους στην ημερήσια πλευρά, δίνοντας στη σκόνη θετικό ηλεκτροστατικό φορτίο, ενώ το ηλιακό πλάσμα του ανέμου φορτίζει αρνητικά τους κόκκους της νυχτερινής πλευράς. Η σκόνη κυριολεκτικά κολλά σε οπτικούς φακούς, σε σώματα καμερών, σε συνδέσμους καρπού των διαστημικών στολών και σε καθρέφτες ψύξης. Στο Apollo 17, αφού η λαβή του σφυριού του Cernan έσπασε κατά λάθος την προέκταση του δεξιού πίσω φτερού του LRV-3, «ουρές αλεκτρυόνας» από σκούρο γκρι regolith πέσαν βροχή πάνω στους καθρέφτες από συντηγμένο πυρίτιο του οχήματος που κοιτούσαν προς τα πάνω. Επειδή η σκούρα σκόνη απορροφά το 90% του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός αντί να το ανακλά, τα ηλεκτρονικά και οι μπαταρίες του οχήματος ανέβηκαν επικίνδυνα προς τα όρια λειτουργίας, μέχρι που οι μηχανικοί του Χιούστον σχεδίασαν ένα υποκατάστατο φτερό από τέσσερις πολυστρωματικούς φωτοχάρτες και δύο σφιγκτήρες λάμπας θαλάμου.
Σκληρό Κενό, Ψυχρή Συγκόλληση & Απόρριψη Θερμότητας
Πώς λιπαίνετε ένα σύστημα μετάδοσης κίνησης στα 10-12 torr, όταν το γράσο εξατμίζεται, και πώς ψύχετε έναν ηλεκτρικό κινητήρα χωρίς ούτε ένα μόριο αέρα;
Τα συμβατικά λάδια υδρογονανθράκων εκλύουν πτητικούς ατμούς στο κενό, που συμπυκνώνονται πάνω στους ψυχρούς οπτικούς αισθητήρες, ενώ ο γραφίτης, εξαιρετικό ξηρό λιπαντικό στη Γη, χρειάζεται στην πραγματικότητα προσροφημένα μόρια υδρατμών ανάμεσα στα ανθρακικά φύλλα του για να γλιστρά ομαλά· στο σεληνιακό κενό ο γραφίτης γίνεται λειαντικός! Τα διαστημικά συστήματα μετάδοσης κίνησης βασίζονται σε δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS₂) εναποτιθέμενο με ψεκασμό, δισουλφίδιο του βολφραμίου, λεπτά φιλμ μαλακών μετάλλων μολύβδου/αργύρου ή συνθετικά υγρά περφθοροπολυαιθέρα (PFPE) με εξαιρετικά χαμηλή τάση ατμών, σφραγισμένα μέσα σε κέντρα τροχών γεμάτα άζωτο υπό πίεση (οι μονάδες κίνησης των τροχών του Apollo LRV ήταν ερμητικά σφραγισμένες με άζωτο 51 kPa).
Χωρίς μεταφορά θερμότητας με τον αέρα, ένας καυτός δίσκος φρένου ή ένα περίβλημα κινητήρα μπορεί να αποβάλει θερμότητα μόνο με θερμική αγωγή προς θερμικούς συλλέκτες (όπως τα μπλοκ παραφίνης αλλαγής φάσης που χρησιμοποιήθηκαν στο Apollo LRV) ή με υπέρυθρη ακτινοβολία προς το βαθύ διάστημα, η οποία διέπεται από τον νόμο P = εσAT4. Κατά τη σεληνιακή μεσημβρία, τα τοιχώματα των κρατήρων ακτινοβολούν πίσω στο όχημα υπέρυθρη θερμότητα στους +120°C, γεγονός που απαιτεί οπτικούς ηλιακούς ανακλαστήρες ανοιγόμενους προς τα πάνω, με διμεταλλικούς θερμικούς συνδέσμους, που ανοίγουν μόνο μετά τη δύση, όταν οι θερμοκρασίες πέφτουν προς τους -173°C (ή -240°C μέσα στους μόνιμα σκιασμένους πολικούς κρατήρες).
Αν το κενό παγώνει τις μπαταρίες, η Αφροδίτη λιώνει το πυρίτιο. Στους 465°C και σε 92 atm υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα, οι συμβατικές μπαταρίες λιθίου εκρήγνυνται και τα μικροτσίπ πυριτίου CMOS χάνουν τη συμπεριφορά του ενεργειακού τους χάσματος. Η εικαστική μελέτη του NASA Glenn, ARED / AREE (Automaton Rover for Extreme Environments), προτείνει ένα μηχανικό ρόβερ με μηχανισμό ρολογιού που κινείται με τον άνεμο, με ανεμογεννήτριες Savonius υψηλής θερμοκρασίας, μηχανικούς αποσβεστήρες εμποδίων τύπου Babbage και ηλεκτρονικά καρβιδίου του πυριτίου (SiC) με ονομαστική αντοχή στους 500°C.
Ποινή Μάζας, Καθυστέρηση & Όρια Ασφάλειας Πληρώματος
Κάθε κιλό ρόβερ που προσγειώνεται στη σεληνιακή επιφάνεια απαιτεί περίπου 6 έως 10 κιλά προωθητικού και μάζας σταδίων σε χαμηλή τροχιά της Γης, έναν σκληρό πολλαπλασιαστή γνωστό ως λόγος εξίσωσης του πυραύλου.
| Τομέας Περιορισμού | Σελήνη (Ισημερινή / Πολική) | Επιφάνεια Άρη | Επιφάνεια Τιτάνα |
|---|---|---|---|
| Καθυστέρηση Ραδιοσήματος (μία κατεύθυνση) | 1.28 δευτερόλεπτα (εφικτός τηλεχειρισμός σχεδόν σε πραγματικό χρόνο) | 4 έως 22 λεπτά (απαραίτητη αυτόνομη αποφυγή κινδύνων) | 68 έως 88 λεπτά (απαιτείται πλήρης αυτονομία πτήσης στο σκάφος) |
| Διάρκεια Νύχτας | ~354 ώρες στον ισημερινό· μεταβλητός πολικός φωτισμός | ~12.3 ώρες (διαχειρίσιμο με θερμαντήρες ιόντων λιθίου) | ~192 ώρες (έντονα προτιμώμενο το πυρηνικό MMRTG) |
| Κανόνας Ασφάλειας Πληρώματος | Επιστροφή με τα πόδια με στολή (μέγιστη ακτίνα ~7.6–10 km) ή ζεύγη ρόβερ | Εφεδρικά ρόβερ υπό πίεση ή προ-αναπτυγμένο όχημα ανόδου | Μόνο ρομποτικό καθεστώς χωρίς πλήρωμα |