Текст книги "М:е:х:а:н:и:к:а з:а:р:я:д:о:в. Учебник физики для исследователей"

XXVIII. Измерение шагового напряжения на Луне

Разница потенциалов между двумя точками поверхности, способная привести к возникновению электрического тока, может быть опасна для жизни космонавта.

На Луне явление шагового напряжения стоит рассматривать в более широком контексте, чем мы привыкли. Когда Солнце встаëт над Луной, первые же лучи резко повышают температуру поверхности и заряжают еë электрическим потенциалом до определённого уровня. Поскольку на Луне нет атмосферы, граница дня и ночи довольно резкая, терминатор линии бежит непрерывно, создавая разницу потенциалов между освещëнной и неосвещëнной частями поверхности Луны. Возможно, проскакивают электрические разряды. Не раз говорилось о наблюдении пыли над Луной в том месте, где встаëт Солнце. Пыль вдоль линии терминатора может взметаться только электрическими разрядами, ударяющими по поверхности Луны. А чтобы разряд был достаточной силы – для появления пыли – то есть чтобы ток мог ударить и поднять пыль, разница потенциалов вокруг терминатора должна быть высокой.

На полюсах Луны длинные тени. Если космонавт одной ногой вступит в обширную тень, а другой будет стоять на освещëнной поверхности Луны, то через ноги побежит ток и может вызвать неприятные ощущения в ногах. Хорошо, если этот ток будет мизерным. А что, если этот ток будет большим? Что тогда делать?

Чтобы избежать неприятностей, надо заблаговременно предусмотреть диэлектрическую защиту скафандра, согласно параметрам, измеренным луноходом.

Если колëса лунохода токопроводные, то надо поставить датчики тока, пробегающего между колëсами. Если уровень этого тока значительно ниже критического для электроники лунохода, то всë в порядке, можем ехать куда хотим.

Но максимальные уровни этого тока надо фиксировать и записывать, чтобы определить безопасные диэлектрические параметры для материала скафандра; они должны быть такими, чтобы, при возникновении шагового напряжения, которое появится, когда одна нога космонавта ступит на освещëнную часть поверхности Луны, а другая окажется в тени крупного кратера, ток, пробегающий по ногам, был низок настолько, что не ощущался бы, то есть был бы безопасен как для человека, так и для электроники скафандра.

Наличие датчиков тока между колëсами лунохода позволит измерять поверхностное сопротивление лунного грунта везде, где бы луноход ни находился. Для этого надо узнавать разницу потенциалов между освещëнной и неосвещëнной частями поверхности Луны, когда переднее колесо лунохода окажется в тени, а заднее будет освещено солнечным светом вместе с лунной поверхностью, на которой оно стоит. Токопроводные колëса должны соединяться друг с другом через высоковольтный изолятор. После измерения разницы потенциалов на контактах, идущих от переднего и заднего колеса, эти контакты должны быть соединены друг с другом через низкоомный резистор, чтобы измерить импульсный ток, возникающий в результате такого соединения.

Можно предположить, что чем больше, обширнее и глубже тень перед луноходом, тем выше будет этот ток.

Во-первых, надо многократно, в разных местах измерять разницу потенциалов между освещëнным и неосвещëнным грунтом Луны на расстоянии шага космонавта. Во-вторых, надо измерять сопротивление лунного грунта, что также пригодится для конструирования схемы залунения. Методику измерения объëмного сопротивления лунного грунта с платформы посадочного аппарата я описывал так: надо подать ток на винтовые самозакручивающиеся штыри, которыми будут пришпилены концы посадочных опор…

Зная сопротивление лунного грунта и сопротивление между ног скафандра, мы будем знать, побежит ли ток через ноги, и какой величины. Ток всегда выбирает путь наименьшего сопротивления, но оставляет за собой «право» бежать по участку цепи высокого сопротивления, снижаясь при этом на величину, обратно пропорциональную параллельно подключенному низкому сопротивлению.

Сопротивление материала скафандра должно быть намного выше сопротивления лунного грунта на отрезке шагового напряжения, в этом случае прогулки по заряженной Луне будут безопасными, в плане распределения электрического потенциала.

Что касается электроники луноходов и скафандра, правила те же. Если есть подозрение, что может возникнуть опасный ток, пробегающий между колëсами лунохода, то надо добиваться того, чтобы сопротивление между колëсами было значительно больше сопротивления лунного реголита на той же дистанции, то есть под колëсами.

Добавочно ещё ряд решений, касающихся техники:

ЛУННОЕ ПОСЕЛЕНИЕ

Защита от космической радиации на игольчатых электродах. Космический корабль. Защита от космической радиации.

XXVIII-A. Как работают магнитные поля Земли и Солнца? Солнечно-земные связи

Есть такая замечательная вещь – конденсатор (два электрода и диэлектрик между ними). С помощью простой этой вещи можно объяснить не только электрические процессы, происходящие в атмосфере, но и другие электрические процессы, происходящие в космосе, а именно: работу магнитных полей планет и звëзд, работу частиц в этих полях. Если в атмосфере положительным электродом является туча, отрицательным – земля, диэлектриком – воздух между ними, и такой конденсатор худо-бедно работает, то в космическом пространстве положительным шаровым электродом является Солнце, отрицательным шаровым электродом – планета, а диэлектриком между ними – космическая пыль. И такой конденсатор тоже работает. Имеются в наличии процессы, являющиеся следствием работы такого конденсатора.

В данном примере мы будем использовать работу конденсатора как физический закон, наглядно объясняющий все процессы в солнечно-земных связях.

XXVIII-B. Как защитить любительскую электронику в космосе, в том числе на Луне и Марсе?

И вот, первое техническое решение, которое напрашивается само собой из вывода о том, что работу заряженных частиц, формирующих магнитные поля Земли и Солнца, можно рассматривать по схеме работы конденсатора.

Во-первых, нужно учесть, что выводит недорогую любительскую микросхему из строя. В космосе это всегда происходит из-за ионизации кремния, из которого делаются корпуса микросхем. Та самая ионизация, которая наэлектризовывает любой диэлектрик, приводит к поломкам.

Под корпусом микросхемы находятся токопроводящие дорожки. Конденсатор космического масштаба выглядит в этом случае так: Солнце – положительный шаровый электрод конденсатора, кремний микросхемы – диэлектрик, токопроводящие дорожки микросхемы – отрицательный электрод конденсатора, так как потенциал напряжения на них всегда будет ниже, чем на диэлектрической цепи диполей, выстраиваемых электрическим полем между Солнцем и дорожками микросхемы.

Конденсатор заряжается, и при накоплении более высокого потенциала, чем на дорожках микросхемы, с конденсатора начинает течь ток. Течёт он с плюса на минус, то есть непосредственно из космоса на дорожки. И если ток большой, то этот ток может привести к выгоранию дорожек и к выходу микросхемы из строя. А если ток маленький (разница потенциалов маленькая – и ток тогда маленький, всё очень просто ведь), то этот ток может привести к логическим ошибкам, к сбою в работе микросхемы.

Как избежать того и другого? Есть ли способ? О, да, конечно, есть такой способ! Игольчатый электрод, соединëнный с минусом питания, должен возвышаться над корпусом микросхемы. В этом случае весь поток ионизированных частиц будет накапливаться на вершине этого электрода и при пробое этого типа конденсатора «солнце-прибор», либо при плавном разряде, весь ток будет стекать на минус аккумуляторной батареи. Вряд ли батарее кратковременный импульс небольшого тока может повредить, хотя конечно было бы лучше заземлить всё это дело, если прибор большой, то и ток пойдёт большой. А если прибор по площади маленький, крохотный, как сама микросхема, то с ролью заземления справится обычный конденсатор, включённый в цепь – он сгладит импульс, идущий как на батарею, так и по электрической цепи. Всплеск напряжения будет раздавлен конденсатором.

Скажем, для большой посадочной станции я бы рекомендовал делать заземление, то есть соединять минус аккумуляторной батареи с металлическими посадочными опорами, правда, чтобы ток стекал в лунный грунт, в лунном грунте должен быть хоть какой-то проводник тока, а если его нет, то заряд будет надолго оставаться на опорах, но это всё равно лучше, чем без заземления. Пусть лучше от опор заряжается грунт под станцией, а не кремний на микросхемах.

Кстати, лунный грунт на Солнце заряжается так эффектно, что на большинстве фотографий, присланных с Луны, лунный грунт выглядит пушистым. Такая пушистость говорит о том, что в лунном грунте отсутствует основной токопроводящий слой, который в нëм может быть – это вода, вода отсуствует. Если увидели пушистый лунный грунт – значит никакого льда под этим грунтом точно нет. А если увидели, отметили для себя, что грунт на Солнце не заряжается до состояния пушистости – значит, под этим грунтом есть вода. Она пропитывает грунт до самой поверхности и отводит статический ток. Это так, к слову. Заметка на будущее.

По одному игольчатому электроду, соединëнному с минусом питания, нужно размещать рядом с корпусом каждой микросхемы. Возвышаться игольчатый электрод над корпусом микросхемы должен на длину этого корпуса плюс расстояние от электрода до микросхемы, плюс ещё как минимум 3 мм, чтобы гарантированно избежать воздействия любого типа космического или радиационного излучения на электронику микросхемы, при любом положении микросхемы относительно источника высокоэнергетических частиц.

Работу игольчатого электрода можно проверить в земных условиях, поместив микросхему в радиационное поле, и вращая микросхему по отношению к источнику радиации (не одним бочком она должна к нему повернуться).

На чëм основывается применение игольчатого электрода?

Во-первых, именно по такой схеме размещают молниеотводы над крышами зданий – по одному молниеотводу на самой высокой точке. Молниеотводы точно также ионизируют над собой частицы и разряжают атмосферные конденсаторы. Способ этот давно проверенный, он хорошо работает.

Во-вторых, игольчатые электроды применяются в некоторых типах ионизаторов воздуха. И эти приборы – ионизаторы воздуха – тоже по сути представляют собой модели атмосферных конденсаторов.

В-третьих, огни святого Эльма – так называемые огни над шпилями мачт, башен – физика этого красивого явления наглядно демонстрирует, где ионизируются частицы при наличии игольчатого электрода (если мачта деревянная, то в роли электрода выступает вода на окончании мачты, наледь, сосульки или роса). Согласно закону физики, частицы не смогут ионизироваться в корпусе кремниевой микросхемы, они будут ионизироваться только над иголкой, если она будет установлена рядом с корпусом кремниевой микросхемы, и если эта иголка будет выше корпуса микросхемы, при любом положении микросхемы относительно Солнца, как основного источника высокоэнергетических частиц, и других источников тоже.

При этом на Луне, как на любой планете, сначала хотел сказать, что микросхема не может повернуться к Солнцу обратной стороной, а в космосе может, поэтому если аппарат будет предназначен для работы на орбите, то для защиты его обычных дешëвеньких китайских микросхем от сбоев и выгорания нужно впаивать игольчатые электроды с обоих сторон платы, или оставлять высоко торчащие усики от выводов резисторов или других радиодеталей, не обрезая эти усики, если они соединены с минусом питания и их высота позволяет защитить все микросхемы. Впаивать иголки в плату нет необходимости, достаточно оставлять усики от выводов и распрямлять их. Подумав немного, добавляю также, что и на Луне аппарат может перевернуться и пролежать долго в таком неподвижном состоянии, а потом быть поставленным на ноги. Поэтому его микросхемы тоже нужно защищать с обратной стороны, описанным выше способом.

Если на конце игольчатого электрода будет не хватать материала для ионизации (космический вакуум по сравнению с кремнием ионизируется плохо), то есть если игольчатый электрод будет работать в безвоздушном пространстве, то на конец иглы можно капнуть капельку термоклея, заодно он прикроет остриё, облегчит монтаж, позволит рукам избежать иглоукалывания. Игольчатый электрод с капелькой тугоплавкого термоклея на конце, если эта капелька будет ионизироваться лучше, чем кремний, или по крайней мере не хуже, чем воздух, гарантировано защитит любую микросхему в самых жëстких условиях космического излучения, если он будет соединëн с минусом питания через проводник необходимой толщины.

Был такой случай недавно. Молнии начали бить в статую Христа, стоящую в Бразилии на высокой горе. Такое может быть только по одной причине: у молниеотвода отгорел провод, идущий на заземление. Ток большой, а провод недостаточного сечения, расплавился, как нить в предохранителе, отгорел, и молнии начали бить не в молниеотвод, а по статуе.

Так вот, мы не знаем, насколько мощная частица прилетит и вызовет протекание тока в цепи. Поэтому отвод тока по токопроводной линии на минус нужно предусмотреть с запасом, чтобы импульсный ток не расплавил дорожку. Игольчатый электрод должен соединяться с минусом питания напрямую.

Однако, для защиты электрической цепи от импульса высокого напряжения, который может придти из космоса через игольчатый электрод, ближе всего к игольчатому электроду должен располагаться варистор, как показано на схеме. Весь избыточный ток варистор переработает а тепло, так как его сопротивление уменьшается с ростом напряжения. Поскольку на минус может придти высокий потенциал, возникнет обратное напряжение и обратный ток, от протекания которого нагрузку и аккумулятор защитят диоды.

Неполярные конденсаторы сгладят возникшие волны напряжения, а если они будут небольшими, то полностью их погасят, тем самым исключив сбои и более серьёзные отказы техники. В случае возникновения пробивного напряжения, из 4-х конденсаторов выстоят как минимум 2—3.

Конкретные параметры деталей для защиты схемы должны подбираться исходя из тех условий, при которых устройству предстоит работать. Наверняка эти физические условия описаны в справочной научной литературе. А я бы упорядочил их вдобавок, представив справочные сведения в виде даташитного описания планет и условий на орбитах этих планет.

XXVIII-C. «Луна-30». Эксперимент по защите от радиации на игольчатых электродах

В центре посадочной платформы будет находиться стеклянная пирамида, с экраном вверху, для производства голограмм, голографических выступлений политиков и артистов, концертов и т. д. Вокруг пирамиды будет небольшая площадка, для просмотра голограмм с луноходов. Электроника экрана и других устройств, произведëнных не на микросхемах для космоса, должна быть защищена игольчатыми электродами, установленными на платформе по правилам установки молниезащиты для дома, с подключением не к заземлению, а к минусу электропитания станции. Все устройства, в том числе экран, должны иметь общий минус питания со станцией, чтобы ничто не пострадало при мощном воздействии космического излучения, подобного удару молнии на Земле, ток, приходящий с игольчатых электродов, не будет направлен в землю, так как на Луне нет токопроводного грунта, да и заглублять заземление нечем, весь приходящий извне ток будет распределëн по элементам электрической цепи и погашен грубым электрическим фильтром, а возникшие помехи будут погашены тонким фильтром, чтобы не произошло сбоев в питании микросхем.

Заодно будут производиться измерения тока, возникающего от галактических, солнечных излучений, то есть датчиками будет измеряться весь гасимый ток и периодичность появления импульсов, чтобы определиться с целесообразностью создания дополнительного источника питания, работающего на космической радиации, а также с целью создания в будущем, как описано у меня в книге «Москов телепортейшин» (2009), генератора тока, защищающего от космической радиации всë лунное поселение, путëм переработки энергии космических излучений в электрический ток.

Для лунной станции дополнительный источник питания может быть реализован в виде ионисторов, которые быстро заряжаются большим током с игольчатых электродов. С ионисторов, через повышающий DC-DC, ток будет плавно перетекать на аккумуляторные батареи станции, таким образом батареи будут подзаряжаться от космического излучения. Конечно, если там будут крохи какие-то, то и делать не стоит, но если этот альтернативный источник даст хотя бы 20% энергии станции, то есть смысл им заниматься.

По краям платформы будут находиться фонари уличного освещения, они должны выдвигаться на длину спусков, чтобы освещать лунную кольцевую дорогу вокруг станции, когда она будет построена. Под станцией тоже будут дороги, фонарное освещение с посадочной платформы, похожее на уличные фонари, светофорный перекрёсток.

По периметру станции будет много рекламы – статической и динамической, на электронных табло и экранах. Если электронные экраны на солнце будут выходить из строя, то их можно заменить проекционными экранами, спрятав проектора в щелевых укрытиях.

На кольцевой будет как минимум 1 сфетофор, на этом перекрёстке дорога будет уходить от станции вглубь Луны.

Ежедневно в прогнозах погоды на ТВ по всему миру будет упоминаться Луноград с его температурой.

XXVIII-D. Принцип защиты жилого пространства в космосе

Для усиления эффекта защиты от радиации, для увеличения радиуса защиты лунного поселения или космического корабля, игольчатые электроды должны находиться в верхней части воздушного пространства и размещаться согласно правилам размещения металлических токопроводящих элементов на крышах зданий для молниезащитного заземления дома. Всё защищаемое пространство будет находиться под каждым токоприёмником в форме шатра, а если усилить ионизацию токоприёмников искусственными ионизаторами на них, то это пространство раздвинется и будет представлять собой купол. Для работы искусственных ионизаторов придëтся затратить немного энергии, что рационально, с точки зрения безопасности людей.

Применительно к космическим кораблям и лунным поселениям, токоприёмники могут крепиться к обшивке корпуса корабля, либо к куполу, через диэлектрические материалы, и быть направленными вниз, то есть внутрь обитаемого пространства. Либо иной способ монтажа и крепления, согласно эксперименту. От выбранного способа монтажа этих элементов конструкции зависит качество работы всей системы, поэтому есть смысл перепробовать разные варианты, и остановиться на наиболее удачном и практичном.

см. главу I. МЕХАНИКА ИОНИЗАЦИИ и главу II. МЕХАНИКА ПРОВОДИМОСТИ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ПРОВОДНИКЕ)

XXVIII-E. Микротрещины на корпусе МКС

Микротрещины на корпусе МКС, если они не сквозные и расположены снаружи, не имеют давления воздуха внутри трещин, поэтому, под действием сил гравитационного притяжения между частицами металла, имеют свойство самозатягиваться, а не расползаться, при получении ударных и вибрационных нагрузок на корпус, от работы двигателей и стыковок. Дело в том, что воздух в трещинах, гравитационным давлением частиц воздуха, находящихся внутри трещин, разрывает их. А в космосе такого воздействия нет, там сами частицы металла, расположенные по разным краям трещин, притягиваются друг к другу и восстанавливают свою нарушенную кристаллическую структуру, а чтобы это происходило быстрее, по металлу просто нужно стучать. Фактически вакуум производит то же действие, что термическая обработка металла – устраняет микротрещины.

XXVIII-F. Ионизация лунного грунта

Ионизация лунного грунта, которая выглядит как пушистость на этом снимке, образуется по той же причине, что ионосфера вокруг Земли – из-за разницы в плотности частиц грунта и космического вакуума на границе соприкосновения того и другого.

Ионизация приводит к накоплению высокого электрического потенциала на поверхности реголита, что может вызывать не только электростатическое подвисание пылинок на лунных камнях (именно пылинки и ионизируются, заряд накапливается на них), но и свечение лунной поверхности в темноте «огнями святого Эльма», как сказано об ионизированном свечении в энциклопедии.

Чтобы разглядеть это свечение, надо в условиях ночи увеличивать светочувствительность камер лунохода и направлять камеры на горизонт – линия горизонта должна светиться.

Возможно, что пепельный свет на затенëнной части Луны, который земляне наблюдают невооружённым глазом, вызывается не только переотражением света Земли, но и собственным свечением лунного реголита. Это надо взять на заметку любителям астрономии. По уровню собственного свечения реголита легко определить потенциал заряженности реголита, в мегавольтах он будет измеряться.

Аналогичная пушистость грунта наблюдалась на снимках всех советских станций «Луна» и луноходов «Луноход-1» и «Луноход-2». По наличию пушистости грунта на снимках определяется, действительно ли аппарат находится на Луне.

Чандраян-3