Содержание
О космическом тепле и холоде / Хабр
В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос — это невообразимо холодное место, в котором самое главное — найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.
Фото космонавта Павла Виноградова
Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии — медленнее.
Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.
Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.
Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.
В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно.
Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.
Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.
Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе — это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить «взаимоотношения» космического аппарата и Солнца.
Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция, «золотая фольга», которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.
Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.
Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.
Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до — 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» — ещё ниже, до — 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.
Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что «Миллиметрон», что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.
На других, менее сложных аппаратах сброс тепла в космосе тоже осуществляется через излучение с радиаторов. Обычно их как раз и покрывают белой эмалью и стараются разместить либо параллельно солнечному свету, либо в тени. На метеоспутнике «Электро-Л» требовалось охладить матрицу инфракрасного сканера до -60 градусов Цельсия. Это было достигнуто при помощи радиатора, который постоянно держали в тени, а каждые полгода спутник разворачивали на 180 градусов, чтобы наклон земной оси не приводил к попаданию радиатора под солнечные лучи. В дни равноденствий спутник приходилось держать немного под углом, отчего на снимках появлялись артефакты у полюсов Земли.
Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.
Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.
При создании космических аппаратов требуется учитывать не только «взаимоотношения» аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется «Система обеспечения теплового режима» или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора — корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника «Даурии Аэроспейс».
Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.
Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры «Луноход-2» погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя «лунного трактора».
В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них — Александр Шаенко из «Даурии Аэроспейс», занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.
Поэтому нам в «Даурии» нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.
10 заблуждений о космосе, в которые стыдно верить
3 сентября 2020
Жизнь
Эти мифы заботливо культивируются голливудскими фильмами и низкопробными фантастическими романами.
1. Космос холодный
Во многих фильмах можно увидеть такую картину: человек оказывается в открытом космосе без скафандра (либо с повреждённым скафандром) и быстро замерзает, превращаясь в хрупкую ледяную статую, трескающуюся от любого воздействия.
Что на самом деле. У космоса нет температуры. Он не холодный и не горячий — никакой: в вакууме нет конвекции и теплопроводности. Вообще, вакуум — хороший термоизолятор. Так что у астронавтов больше проблем с перегревом, чем с переохлаждением.
И если вы окажетесь в космосе без скафандра в тени планеты, то, скорее всего, испытаете лёгкую прохладу из‑за испарения воды с поверхности кожи. Но до твёрдого состояния точно не заморозитесь.
2. Люди могут лопнуть в космосе
Кадр из фильма «Вспомнить всё», 1990 год.
Бытует мнение, что в вакууме или в атмосфере с низким давлением, например на Марсе, человек может взорваться, как воздушный шарик. Глаза вылезут из орбит, сосуды полопаются, и незадачливый астронавт превратится в кровавое месиво.
Что на самом деле. Давление в вакууме отсутствует, и это может привести к тому, что ваши лёгкие лопнут, если вы не выдохнете, прежде чем выпрыгнуть из корабля. В крови начнут появляться газовые пузырьки (это называется эбуллизм), на теле образуются отёки. Но кожа человека слишком упругая, и она не позволит вам взорваться.
Эксперименты на собаках показали, что в вакууме можно без последствий находиться до полутора минут, и после этого организм быстро восстановится. А вот более длительное пребывание летально из‑за гипоксии, то есть нехватки кислорода.
3. У Луны есть тёмная сторона
Тёмная сторона луны не такая уж тёмная. Снимок с зонда Lunar Reconnaissance Orbiter NASA, moon.nasa.gov
Когда люди говорят «тёмная сторона Луны», то представляют себе мрачное место, куда никогда не падает солнечный свет. Наверное, именно поэтому там строят свои базы нацисты и десептиконы.
Что на самом деле. Все стороны Луны освещаются Солнцем, и на ней есть день и ночь — правда, длятся они по две недели.
Тем не менее у спутника Земли есть обратная сторона. Но из‑за того, что период вращения вокруг нашей планеты и вокруг собственной оси у Луны схожи, с Земли видно только одно её полушарие. А первые снимки другого были сделаны советской АМС «Луна‑3» ещё в 1959 году. И ничего особо таинственного там нет.
4. Чёрные дыры выглядят как воронки
Чёрная дыра в представлении художника, news.sky.com
Из‑за фильмов и картинок в интернете многие люди полагают, что чёрные дыры выглядят как вихрь, засасывающий всё вокруг себя. Или как воронка в раковине, куда стекает вода.
Что на самом деле. Впервые чёрную дыру показали реалистично в фильме «Интерстеллар», основываясь на теоретических моделях физика Кипа Торна. Уже позже NASA сделало первый её снимок с помощью системы из восьми радиотелескопов Event Horizon Telescope. В реальности чёрная дыра выглядит не как воронка, а как тёмная сфера, окружённая аккреционным диском из падающего на неё газа.
5. Солнце жёлтое
Снимок Солнца, сделанный астронавтом NASA Терри Вёртсом с борта МКС в 2015 году, space.
com
Если вы попросите кого‑нибудь нарисовать наше светило, то начинающий художник непременно возьмёт жёлтый карандаш. Взгляните на Солнце, и убедитесь, что оно имеет такой оттенок.
Что на самом деле. Желтоватым Солнце делает наша атмосфера. И если взглянуть на снимки из космоса, становится понятно, что его цвет — белый. Но мы так привыкли считать Солнце жёлтым, что даже учёные классифицируют похожие на него звёзды как «жёлтые карлики» просто для удобства.
6. Первой в космос полетела собака Лайка
Героическая дворняга‑космонавт, infuture.ru
Кто первым полетел в космос? Конечно, Юрий Гагарин. А из братьев наших меньших? Собака по имени Лайка, это всем известно. Она была обычной дворнягой из приюта, отправившейся первой покорять космос.
Что на самом деле. Лайка действительно первой оказалась на орбите Земли. Но в космосе бывали живые существа и до неё. В феврале 1947 года американцы с помощью трофейной немецкой ракеты «Фау‑2» отправили в суборбитальный полёт несколько плодовых мушек (дрозофил), чтобы изучить на них воздействие космической радиации. Они долетели до высоты в 109 км, а границей космоса считается отметка в 80 км. Так что первыми его увидели мухи.
7. NASA потратило миллиарды на пишущую в космосе ручку
Та самая чудо‑ручка, spencerdub.me
Простыми ручками в космосе пользоваться нельзя, потому что чернила в стержне там не могут стекать вниз. И, согласно одной городской легенде, чтобы астронавты всё-таки смогли вести записи, NASA потратило 12 миллиардов долларов на изобретение специальной ручки. Она способна писать вверх ногами на любой поверхности при температуре от 0 до 300 °С. Советские же космонавты просто пользовались карандашами. Вот она, русская смекалка.
Что на самом деле. Поначалу и американцы, и русские пользовались в космосе карандашами, но это приводило к ряду проблем: частицы графита отслаивались и попадали в воздушные фильтры космических кораблей. А специальную ручку изобрёл Пол Фишер из Fisher Pen Company, и сделал он это независимо от NASA. Мужчина продал ведомству 400 штук по 2,95 доллара за каждую.
Наши космонавты тоже пользовались такими ручками. В своё время их закупали для работы на станции «Мир». Кстати, если хотите, можете тоже приобрести себе космическую ручку.
8. Через пояс астероидов трудно пролететь
Пояс астероидов в представлении художника, universetoday.com
Помните, как в «Звёздных войнах» Хан Соло мастерски пилотировал свой «Тысячелетний сокол», чтобы пробраться через пояс астероидов? Он умудрился обогнуть множество этих космических тел, да ещё и от погони имперских истребителей оторвался, хотя ежесекундно рисковал врезаться в парящие повсюду каменные глыбы.
Что на самом деле. В нашей Солнечной системе тоже есть свой пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Астрономы не уверены, сколько там каменных глыб, и называют приблизительное число в 10 миллионов. Но вы, даже не будучи крутым пилотом вроде Соло, легко пролетите сквозь них. Потому что среднее расстояние между астероидами в поясе — полтора миллиона километров. Это примерно в четыре раза больше, чем расстояние между Землёй и Луной.
Поэтому, чтобы в реальности врезаться в астероид, понадобится немалое старание и тщательные орбитальные манёвры. Вероятность не то что столкновения, но и просто незапланированного сближения космического корабля с каменной глыбой составляет менее чем один к миллиарду.
9. Космические корабли летают по прямой
Кадр из фильма «Прометей», 2012 год
В фильмах космические аппараты легко перемещаются из одного места в другое, просто развернувшись прямо к цели и включив двигатели. Точно так же, как автомобили или корабли на Земле. А если космолёту надо сесть на планету, он просто устремляется в её атмосферу на полной скорости.
Что на самом деле. В реальности космические аппараты двигаются от одной орбиты к другой по дугообразной гомановской траектории. И у них при этом отключены двигатели. Они включаются два раза, для разгона в начале и для торможения в конце, остальной путь корабль проделывает по инерции.
Если хотите самостоятельно поуправлять шаттлом и вживую увидеть движение по гомановской траектории, попробуйте поиграть в космический симулятор Kerbal Space Program. Он даёт наглядное представление об основах орбитальной механики.
Да, и ещё: корабли, собирающиеся приземлиться, сходят с орбиты, развернувшись двигателями по ходу движения, чтобы затормозить. В голливудских блокбастерах вроде «Прометея» такого не покажут, чтобы у зрителя не возникло вопроса, почему челноки летают задом наперёд.
10. Летом тепло, потому что Земля ближе к Солнцу
Солнце и Земля, sunearthday.nasa.gov
Смена времён года вызвана меняющимся расстоянием от Земли до Солнца. Логично, правда? К сожалению, иногда так думают не только маленькие дети, но и вполне взрослые люди.
Что на самом деле. Орбита Земли не совсем круглая — она эллиптическая. Наша планета достигает перигелия (точки на орбите, ближайшей к Солнцу) в январе и афелия (самой дальней точки от Солнца) примерно через шесть месяцев. Если бы от этого зависела погода, у нас было бы лето в январе и зима в июле.
Сезоны меняются из‑за наклона оси вращения Земли относительно её орбитальной плоскости (эклиптики). Движение по орбите действительно вызывает температурные колебания в пределах 5 °С, но этого недостаточно, чтобы устроить смену времён года.
Читайте также 🧐
- 36 сайтов для тех, кто интересуется космосом
- 13 документальных фильмов про космос, которые вас удивят
- 10 распространённых заблуждений о полётах на Луну
Космический вакуум | Физика Фургон
Категория
Выберите категориюО фургоне физикиЭлектричество и магнитыВсе остальноеСвет и звукДвижение вещейНовая и захватывающая физикаСостояния материи и энергииКосмосПод водой и в воздухе
Подкатегория
Поиск
Задайте вопрос
Последний ответ: 22. 10.2007
Вопрос:
нас учили, что вакуум просто означает отсутствие каких-либо атомов/частиц/молекул. пространство, представляющее собой вакуум, состоит из солнечной системы, состоящей из звезд, планет и многого другого. но разве планеты и звезды тоже не состоят из частиц, молекул, точно так же, как все живые и неживые существа на земле состоят из частиц/атомов/молекул. так почему же мы называем пространство вакуумом?
— authum (15 лет)
commonwealth sec, singapore
A:
Когда люди говорят, что космос — это вакуум, они имеют в виду, что части
пространство, которое находится далеко от планет, звезд и т. д., является почти вакуумом.
Это означает, что концентрация частиц в этих областях очень высока.
крошечный по сравнению с концентрацией в нашей атмосфере.
Майк В.
(опубликовано 22.10.2007)
Дополнение №1: вакуумные частицы
Q:
Я где-то слышал, что космический вакуум или области между атомами на самом деле заполнены очень маленькими частицами (не считая фотонов света) это правда и что это за частицы?
— Зак (17 лет)
Новая Зеландия, Гамильтон
A:
Есть несколько верных идей, к которым могли прийти люди, сказавшие это. Однако картина крошечных точечных частиц, помещающихся в пустое пространство, определенно даже близко не соответствует правильному описанию вещей.
Все мелкомасштабные объекты (и, возможно, крупномасштабные объекты тоже) являются квантовыми объектами. У них нет определенных значений положения, скорости, иногда энергии или даже количества частиц. Таким образом, «пустое» пространство может вести себя так, как будто в нем есть частицы, если что-то толкнет его в правильном направлении. Это верно для любого вида частиц, но легче всего обнаруживаются частицы с наименьшей массой покоя. Особенно важна пара электрон/позитрон. Нейтрино имеют еще меньшую массу покоя, но они почти ни с чем не взаимодействуют. (Мы не считаем частицы с нулевой массой покоя, фотоны, по вашей просьбе.)
Возможно, то, что вы слышали, относилось к волновой природе частиц, особенно электронов. Электронное состояние рассредоточено, и его слабый хвост простирается далеко от каждого атома. В обычных материалах нет области между атомами, где шанс найти электрон действительно равен нулю.
Майк В.
(опубликовано 19.08.2009)
Дополнение №2: существует ли гравитация в космосе?
Q:
есть ли гравитация в космосе??
— хаджер (15 лет)
A:
Да, это объясняет крупномасштабные закономерности движения галактик и т. д.
Майк В.
(опубликовано 05.07.2018) и Big Bang Q: Это так расстраивает. Я нахожу научные умы по всей карте о том, что космос — это вакуум, а космос — не вакуум. Большой взрыв произошел, но это не начало, а Большой взрыв — это начало. Будет ли это когда-нибудь решено? A: Проблемы, которые вы упомянули о космосе, в основном связаны с тем, что люди небрежно используют такие слова, как «вакуум» и «космос». Наш ответ выше должен помочь. Вопросы о Большом Взрыве действительно остаются открытыми. В принципе, есть способы попытаться ответить на них или, по крайней мере, сузить возможные ответы. Майк В. (опубликовано 25.03.2020) Дополнение к этому ответу электрон в свободном пространстве пустые места? Создание вакуумной камеры Перемещение в открытом космосе Какова частота темной энергии? Существуют ли атомы в черной дыре? Кто выиграет гонку с горячим картофелем? Какая температура в космосе? Вопросы и ответы по Expore в смежных категориях обновление: Этот ответ был написан до того, как вопрос был изменен. Я пытался объяснить, откуда может взяться такое значение, как 10 -17 торр для глубокого космоса, но с тех пор оно было опущено вместо 10 -11 торр на Луне, , что, вероятно, является лучшим способом сформулировать вопрос. Я думаю, что ответ тот же, две точки очень далеко могут иметь очень разные давления. Они могут сосуществовать в одной Солнечной системе, просто не рядом друг с другом. Я думаю: «Почему у Луны нет хотя бы небольшой атмосферы?» также может быть отличным, но совсем другим вопросом. В комментарии ОП ссылается на презентацию ВАКУУМ (в этом нет ничего…), написанную с точки зрения инженера в области производства полупроводников. На слайде 6 приведены примеры уровней вакуума в различных ситуациях: Снижение: Таким образом, мы можем видеть, что значение 1 x 10- 17 торр связано с местом в «глубоком космосе», которое (вероятно) находится за пределами Луны. Посмотрим, сможем ли мы выяснить, откуда автор берет этот номер. Согласно статье Википедии о межзвездной среде (пространство между звездами, вдали от солнечных систем и прочего): Во всех фазах межзвездная среда чрезвычайно разрежена по земным стандартам. В холодных и плотных областях МЗС вещество находится преимущественно в молекулярной форме и достигает плотности 106 молекул на см 3 (1 миллион молекул на см 3 ). В горячих диффузных областях МЗС вещество в основном ионизировано, а плотность может достигать 10 −4 ионов на см 3 . Сравните это с числовой плотностью примерно 10 19 молекул на см 3 для воздуха на уровне моря и 10 10 молекул на см 3 (10 миллиардов молекул на см 3 ) для лабораторного высокого уровня. вакуумная камера. Труднее говорить о давлении, чем о плотности, потому что давление связано как с числовой плотностью, так и с температурой. Если (согласно Википедии) атмосфера Земли имеет плотность 10 19 на см 3 , мы ищем плотность 1 на см 3 . Заглянув в Википедию, мы видим, что есть компоненты межзвездной среды с плотностями от 10 6 до 10 -4 . Похоже, что значение в презентации является приблизительной оценкой, но отличается не более чем на несколько порядков 😉 Как такой вакуум может сосуществовать с открытой системой земной атмосферы, через которую могут проникать космические обломки? Хотя эти два давления могут сосуществовать в одной и той же вселенной, они совсем не сосуществуют рядом. Межзвездная среда находится очень и очень далеко от атмосферы Земли, порядка светового года.
— Ронни Д. Акинс (47 лет)
Phoenix Например, изучение закономерностей космического микроволнового фонового излучения должно помочь разобраться в некоторых теориях. Связанные вопросы
Все еще интересно?
космология — Космический вакуум
– Испаритель
– Распылитель Атмосфера более чем в 10 раз горячее, чем межзвездная среда, поэтому давайте посмотрим на числовое отношение плотности 1/10 от 1000 Торр против 10 -17 торр или соотношение 10 19 .