Materiales del Tian Wen-1 Zhurong
Cuando Zhurong aterrizó en Marte el año pasado, la zona de aterrizaje sur de Utopia Plain estaba en primavera, pero ahora Utopia Plain ha entrado en un invierno ventoso y el solsticio de invierno comenzará el 21 de julio. El rover Zhurong Mars se enfrenta a la prueba más dura desde que aterrizó en Marte. No hay suficiente luz solar, la temperatura ha descendido a -130 grados centígrados y la tormenta de arena del diablo continúa. ¿Cómo sobrevive el invierno el rover Zhurong Mars? ¿Cómo funcionan estos dos "invernaderos"? ¿Cómo realizar las habilidades especiales de "dormir" y "despertar"?
Primero, echemos un vistazo a cómo el rover estadounidense sobre Marte sobrevive al invierno.
Marte no sólo es terriblemente frío en invierno, sino que la diferencia de temperatura entre el día y la noche puede alcanzar más de 100 grados, lo que supone una gran prueba para la estabilidad de los componentes electrónicos del rover. Las baterías, la electrónica y las computadoras son el corazón y el cerebro del rover y funcionan a temperaturas seguras dentro del cálido cuerpo del rover. La temperatura segura está entre 40 y -40 grados. Si se excede esta temperatura, el rover estará en peligro y morirá congelado o calentado. La mayoría de las medidas de aislamiento térmico adoptadas por el rover estadounidense de Marte son: el cuerpo principal del rover de Marte está recubierto con una capa aislante del calor dorada y se agrega material aislante del calor "aerogel" en el interior para evitar que el calor se escape. Las principales fuentes de calor son: calor generado por equipos electrónicos, calor activo generado por baterías de isótopos (calentador constante de 1 vatio) y calentadores eléctricos. Esta configuración obviamente tiene sus inconvenientes. Las células isotópicas trabajan continuamente y generan calor. Cuando la temperatura ambiente es alta, el rover puede calentarse demasiado. Además, las baterías de isótopos tienen requisitos de alta confiabilidad para aterrizar en Marte. Los fallos, los choques y las explosiones contaminarán el medio ambiente marciano.
Para mantener una temperatura constante, el American Rover también está equipado con un termostato de calefacción eléctrico y un sistema de refrigeración. El termostato se calentará eléctricamente a bajas temperaturas para mantener la temperatura corporal. El sistema de disipación de calor está instalado en la pared del cuerpo del rover y el fluido térmico utilizado es CFC-12, que es similar al refrigerante freón utilizado en los aires acondicionados antiguos. Sin embargo, un control de temperatura aparentemente perfecto tiene muchos inconvenientes. En primer lugar, en la superficie de Marte, la electricidad y el calor son recursos escasos y sería una lástima desperdiciarlos en vano. En segundo lugar, con la incorporación de tantos sistemas y equipos, las incertidumbres como fallas y daños en el diseño, la instalación y el uso han aumentado considerablemente, lo que reduce la confiabilidad general del rover de Marte. Finalmente, muchos vehículos solares en Estados Unidos murieron congelados debido a la falta de energía. Por ejemplo, Opportunity, Spirit, Phoenix y Viking 2. La percepción está llegando.
¿Cómo sobrevive el invierno el rover Zhurong Mars? ¿Cómo funcionan estos dos "invernaderos"? ¿Cómo realizar las habilidades especiales de "dormir" y "despertar"?
Zhurong tiene dos conjuntos de equipos clave para protegerse del frío: uno es un "colector de calor" y el otro es un "material aislante de aerogel".
El "colector de calor" es el "invernadero" en la parte trasera del rover que vemos en la imagen, y hay dos uno al lado del otro. Estos "invernaderos" no están llenos de plántulas de hortalizas, sino de materiales aislantes de cambio de fase para ayudar a almacenar calor.
Marte es diferente de la Luna. La duración de sus días y noches es similar a la de la Tierra, por lo que no podemos replicar el modo de sueño del "Conejo de Jade". Dormir y despertarse es una pérdida de tiempo. Zhu Rong trabaja por la noche. Lo más llamativo en la parte trasera de Zhurong son las dos grandes ventanas que acumulan calor, y el espacio junto a ellas no se desperdicia. Todos son paneles solares. La ventana térmica está fabricada en poliimida y está sostenida por dos alambres de acero cruzados. La luz solar (excepto en el espectro infrarrojo lejano) tiene una transmitancia muy alta, lo que garantiza una alta tasa de retención de la energía térmica captada. Además, los materiales de poliimida tienen las ventajas de resistencia a altas temperaturas, resistencia a temperaturas extremadamente bajas (no quebradizos en helio líquido -269), coeficiente de expansión térmica extremadamente pequeño, fuerte resistencia a la radiación, no es fácil de quemar y menos liberación de gas en el vacío. , y ampliamente utilizado en el campo aeroespacial.
El área más oscura dentro de la ventana colectora de calor es el colector de calor, que está lleno del material aislante de cambio de fase "n-undecano", que absorbe energía solar a través de su cambio de fase (y cambio de estado).
El punto de fusión del "n-undecano" es de -26 grados. Durante el día, la temperatura de la superficie de Marte puede aumentar a 27 grados, y este material se convertirá en líquido, absorbiendo energía solar y acumulando calor; por la noche, cuando la temperatura de la superficie de Marte descienda por debajo de -60 grados, este material girará; en un sólido y liberar calor.
El "N-Undecano" es fácil de almacenar y transportar, e incluso si se filtra, no provocará contaminación nuclear en la superficie de Marte. Absorbe el valioso calor liberado y puede garantizar que cada subsistema de Zhurong esté dentro de un rango de temperatura estable, lo que hace que funcione de manera más estable y por más tiempo. Con la ayuda de la tecnología de células solares de arseniuro de galio de triple unión y n-undecano y la tecnología de seguimiento de máxima potencia, la tasa de utilización de energía solar del rover Zhurong Mars se ha incrementado del 30% del rover solar tradicional al 80%.
Recolectar calor en Marte es importante, y preservar el calor también lo es. El otro artefacto a prueba de frío de Zhu Rong, el "material aislante de aerogel", es responsable de esta importante tarea.
El aerogel utilizado por la sonda Tianwen-1 Mars y el rover Zhurong Mars es un nuevo material de aerogel desarrollado por el Instituto 306 de la Tercera Academia de Ciencia e Industria Aeroespacial de China (la composición del material es confidencial) . * * *Utilizando dos tipos de aerogel, ligero y excelente rendimiento de aislamiento térmico. También tiene las características de densidad extremadamente baja y ductilidad extremadamente alta. Se puede fabricar en láminas finas y sólo se necesitan 10 gramos para cubrir un campo de fútbol estándar.
Durante las frías noches de Marte, con la ayuda del aislamiento de aerogel y la liberación de calor del colector, el rover Zhurong puede pasar la noche de forma segura en la superficie de Marte y trabajar con normalidad. Además de estos preparativos de hardware de "apalancamiento", Zhurong también está equipado con un sistema inteligente de gestión de energía autónomo del cerebro, que puede determinar qué dispositivos funcionan de forma independiente en función del nivel de suministro de energía para garantizar la estabilidad de todo el sistema.
¿Qué pasaría si Zhu Rong también se encontrara con la "tormenta de arena del diablo de Marte" que provocó que el Opportunity se estrellara? La generación de energía disminuyó drásticamente y la capacidad restante de la batería de iones de litio no fue suficiente para soportar a Zhu Rong durante las frías noches en Marte. El sistema autónomo de gestión de energía puede cambiar automáticamente al modo de trabajo más bajo, al modo de suspensión o al modo de despertador según la severidad del clima de arena y polvo. La intensidad de la radiación solar de Marte en invierno es menor que la del verano, sólo alrededor del 20% de la de la Luna. Por lo tanto, Zhurong también tiene las funciones especiales de "dormir" y "despertar" de Bunny, lo que permite que todo el automóvil descanse completamente sin energía.
¿Cómo controla Zhu Rong las complejas funciones de sueño y vigilia?
En primer lugar, Marte suele tener endiabladas tormentas de polvo que duran días o incluso meses, y la energía solar que recibe el rover de Marte cae bruscamente. En este momento, el rover está "durmiendo" y esperando pacientemente a que pase la tormenta de arena para salvar su vida. De lo contrario, el rover "Opportunity" de Marte Xiaoqiang servirá de lección para otros.
En segundo lugar, hay cambios estacionales obvios en Marte. Al entrar el otoño y el invierno, la intensidad de la luz seguirá debilitándose. En este momento, el rover necesita entrar en "hibernación" de forma segura como una rana arborícola hasta que la cálida luz del sol lo "desperte" en la primavera siguiente.
En tercer lugar, el clima marciano es complejo y cambiante, y la batería de litio del rover puede sufrir una carga insuficiente durante el día. Los ingenieros también tienen un plan para esta situación: de día a noche, leerán la energía restante de la batería utilizando un amperímetro y un método de tabla de consulta. Cuando la energía restante del rover no pueda sobrevivir más allá de la noche oscura, entrará en hibernación.
El último y más importante despertar. A diferencia del conejo en la luna, la batería del rover no tiene equipo de aislamiento de isótopos y todo el rover se encuentra en un estado de corte de energía. Si la batería de litio no vuelve a la temperatura de funcionamiento por encima de -15 grados Celsius, no funcionará correctamente. Para despertar a Zhurong, primero debes activar la batería de litio. Entonces, los inteligentes ingenieros chinos agregaron un relé de temperatura a la batería de litio para determinar la temperatura de la batería de litio. Cuando el panel solar vuelve a funcionar, se da prioridad al calentamiento de la batería de litio. Cuando se calienta a unos -15 grados, el relé de temperatura se apagará automáticamente y el rover se despertará oficialmente y comenzará a cargarse.
Es precisamente con una serie de preparativos "duros y blandos" que Jia, diseñador jefe adjunto del sistema detector número 1, confía en que la vida real de Zhurong detectará volcanes de lodo a 10 kilómetros y 20 kilómetros. kilómetros de distancia. Puede recolectar energía solar y puede ignorar la fría temperatura de Marte -130 grados. ¡Por supuesto, la larga marcha requiere un par de buenas piernas y pies! ¿Cuáles son los aspectos más destacados del sistema móvil de Zhurong? ¿Por qué puedes salvarte sin preguntarle a nadie? Estos diseños que reflejan la sabiduría de los ingenieros chinos se explicarán en detalle más adelante, ¡así que estad atentos!