Батериите на електрически превозни средства не понасят екстремни температури. Така че как НАСА създаде електрически роувър, който работи в открития космос?
Луноход на НАСА (LRV – Lunar Roving Vehicle)
Когато производителите разработват нови задвижващи агрегати, те често ги тестват в най-екстремните условия на Земята. Например, изцяло електрическият Rolls Royce Spectre е подложен на температури до -40C и до 50C, за да могат инженерите да определят как ще издържи диапазонът му в екстремни условия. Това излагане на суров климат е от решаващо значение за BEV. Както знаем, батериите губят голяма част от ефективността си при ниски или високи температури.
На Земята обаче няма климат, който да се сравнява с този на Луната. 120С през деня, -130С през нощта, и това е в умерените зони на Луната. И така, как НАСА успява да създаде електрически луноход, който може да работи при такива екстремни условия, още през 70-те години на миналия век?
Много скъп апарат с една конска сила
Въпреки че по проекта за лунен роувър се работи от самото начало на програмата „Аполо“, първият лунен роувър – официално известен като Lunar Roving Vehicle (LRV) – е изстрелян едва след четвъртото пилотирано кацане на Луната – „Аполо 15“ през 1971 г.
Крайните цели на LRV са прости. Той трябва да увеличи площта, която астронавтите могат да изследват. Да помогне за пренасянето на лунни скали обратно до лунния модул.
Космическите полети обаче имат свойството да превръщат простите изисквания в предизвикателство за изпълнение.
Нуждата от намаляване на теглото на LRV изисква невероятно високотехнологична конструкция. Благодарение на широкото използване на алуминий и титан теглото на LRV е сведено до 208 kg. Това е приблизително половината от теглото на стандартна количка за голф. Въпреки това полезният му товар е повече от 453 kg. Той трябва да бъде сгъваем, за да се прибере в лунния модул за кацане.
Когато е готов за изстрелване, той се сгъва до дебелина само 50 см. Има поцинковани колела от плетена стоманена мрежа, които могат да се деформират и да се върнат във формата си, а не да се издуват или огъват, за да се избегне спукване. Инженерите му предоставят независимо задвижване на четирите колела и завиване на четирите колела за максимално сцепление и маневреност.
Малко мощност на Земята, много мощност за Луната
Потребностите от енергия са минимални, тъй като LRV тежи само 34 кг в по-лекото гравитационно поле на Луната. В този смисъл той разполага само с 1 конска сила (0,75 киловата), осигурявана от четири последователно навити постояннотокови двигателя с мощност четвърт конска сила (по един на всяко колело). Всеки двигател имаше собствено хармонично задвижване с редуктор 80:1.
Целта е да се подобри въртящият момент и реакцията. Корпусите на двигателите са били под налягане до 7,5 PSI, за да се предотврати навлизането на прах в корпусите и разрушаването на четките.
Официалната му максимална скорост е 13 км/ч, въпреки че по време на „Аполо 17“ се достига 17 км/ч. В случая астронавтът Юджийн Чернан го спуска по хълм с пълен товар лунни камъни.
Първоначално бюджетът за LRV е бил само 19 милиона долара. Превишаването на разходите е довело до окончателна сума от 38 милиона долара. Това го прави най-лошата сделка в историята в съотношение долар/конски сили (хехе).
Първо кръгче “около блока”
Тъй като LRV е с ниска мощност, той изисква лек и компактен акумулаторен блок, а не голям с голям капацитет. Тъй като е било предвидено да бъде машина за еднократна употреба (и трите LRV, които някога са били изведени на Луната, все още са паркирани на там), батериите също не е трябвало да бъдат презареждаеми.
Затова са използвани чифт сребърно-цинкови батерии с напрежение 36 V и капацитет 4,1 киловатчаса. Това е много далеч от акумулаторните батерии с капацитет над 80 kWh на съвременните автомобили. Сребърно-цинковите батерии се презареждат само в минимална степен, като издържат от 10 до 50 цикъла.
Въпреки това те са имали най-високата енергийна плътност от всички съществуващи батерии преди разработването на литиевите клетки. Тя е била около 220 Wh/kg (в сравнение със съвременните литиево-йонни батерии – 270 Wh/kg).
През 70-те години на миналия век те са били ненадминати за приложения за еднократна употреба. В резултат на това сребърно-цинковите батерии са били златен стандарт за космическите батерии както в САЩ, така и в Съветския съюз (който така и не каца на Луната, тюх).
Общият полезен пробег на двойката батерии е оценен на 91 км и при нормална работа. Като една батерия захранва предните колела, а другата – задните. Конструкцията на двойната батерия е създадена с цел подсигуряване. В случай че зарядът едната батерия падне, другата може да захранва целия LRV. Това намалява безопасния полезен пробег.
Планьорите в НАСА също така не биха позволили на астронавтите да управляват LRV по-далеч от спускаемия модул, отколкото биха могли да вървят пеша, в случай на пълна повреда. Това го ограничава до радиус на действие от 9 км. Най-голямото разстояние, на което някога е бил управляван LRV по време на една мисия, е последното пилотирано кацане на Луната, Аполо 17, където астронавтите изминават около 35 км по време на тридневната експедиция (включително едно непрекъснато шофиране от 18 км).
В интервю за Wired десетилетия по-късно астронавтът (и шофьор на марсохода) Чарлз Дюк си спомня, че по време на „Аполо 16“, въпреки че е карал LRV на разстояние над 24 км, „дори не се доближихме до изчерпване на енергията“.
Огледалце, огледалце, на LRV, кой е най-горещият от всички
Контролът на температурата неочаквано се оказа предизвикателство. Сребърните цинкови батерии се представят зле при ниски температури, но LRV е предназначен за използване само през лунния ден, който продължава 15 земни дни.
Това означава, че основната грижа е да се предпазят от прегряване. Самата лунна повърхност може да достигне температури, по-високи от температурата на вряща вода през тези две седмици. Тъй като Луната няма атмосфера, температурите варират в широки граници и се определят главно от времето, прекарано директно на слънчева светлина.
Максималната работна температура на батерията е 52 °С, а максималната температура, на която могат да издържат е 60 °С. Тя бързо би била превишена, ако е изложена на дневна светлина твърде дълго време.
Този проблем е лесно решен по време на транспортирането. LRV се съхранява сгънат от външната страна на лунния модул. Спускаемият апарат бавно се върти като пиле на грил, докато обикаля около Луната. Така той равномерно разпределя пряката слънчева светлина от всяка страна, поддържайки температурата поносима. На повърхността на Луната обаче нямаше как да се скриеш от слънчевите лъчи и батериите бързо щяха да надхвърлят границата от 60 °С.
За да се реши този проблем, двете батерии са снабдени с пасивни радиатори. Вместо да използват традиционната активна система за охлаждане с течност, инженерите използват специални огледала, за да отразяват колкото се може повече светлина. Така да отвеждат колкото се може повече топлина – колкото е физически възможно. Когато LRV се движи, огледалата се покриват с прахов щит. Така се предотвратява покриването с прах им от изключително фината лунна почва. Това от своя страна би нарушило способността им да отразяват светлината и да излъчват топлина.
Том Ханкс напрегнато управлява луноход (или „Аполо 16“)
Това работи… до известна степен. При „Аполо 15“ кратките пътувания и ниският ъгъл на Слънцето поддържат батериите в нормални температури. При „Аполо 16″обаче мястото на кацане подлага екипаж и техника на по-високи температури. Още по-лошото е, че при ранна авария LRV губи калник. „Петльова“ опашка от фин прах следва марсохода навсякъде, където се движи и покрива всичко – включително и огледалата. Батериите отказват да се охлаждат, дори след като се свалят топлинните щитове и се почистват огледалата, тъй като лунната почва задържа топлината твърде ефективно. Батериите можеха да бъдат леко охладени, като се паркира LRV на сянка, но ако остане на сянка твърде дълго, екстремният студ ще да убие други електрически компоненти.
Контролът на полетите кара астронавтите да превключват от една батерия на друга за захранване, като се опитват да оставят всяка от тях да се охлажда за по-дълги периоди от време. Въпреки това до последната екскурзия на третия ден от „Аполо 16“ батериите на LRV надхвърлят максималната си температура за оцеляване.
В края на мисията достигат 62 °С. За щастие батериите на LRV работят добре въпреки горещите температури и не се налага астронавтите да се прибират пеша. При „Аполо 17“ внимателното контролиране на праха и паркирането на LRV по-далеч от лунния модул за кацане поддържат температурата на батериите в приемливи граници. Причината за паркирането по-далеч е, че той излъчва огромно количество топлина.
До “Артемида” и отвъд
Докато НАСА планира завръщането на човечеството на Луната с проекта Artemis, няма официална информация кой автомобил ще се качи на Луната след това, въпреки че има много претенденти – един от които е съвместен проект на GM и Lockheed, задвижван от Ultium.
Макар че бъдещето на Ultium все още неясно, вероятно каквото и превозно средство да пътува до Луната след това, то ще използва литиево-йонни батерии точно както земните електрически автомобили, с подобни стратегии за управление на температурата. Вероятно новият марсоход ще има и възможности за дистанционно управление, подобно на сондата на НАСА VIPER Moon rover, която ще бъде изстреляна по-късно тази година.
Единственото нещо, с което инженерите ще трябва да се справят, независимо от всичко? Прах… прахът никога не се променя.
Всичко важно от света на технологиите, директно в пощата ти.
С абонирането приемате нашите Условия и Политика за поверителност. Може да се отпишете с един клик по всяко време.
Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Google Новини, TikTok, Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iPhone, Huawei, Google Chrome, Microsoft Edge и Opera!
