Вработе рассматривается проблема, связанная с извлечением пыли из контролируемой среды обитания людей, при колонизации планеты Марс. Проводится эксперимент по моделированию движения частиц пыли в циклоне относительно его применения на Марсе и Земле. Эксперимент проводился в программе ANSYS. Сформулирована и доказана гипотеза о неодинаковости движения частиц пыли в циклоне в условиях Земли и Марса. На основании результатов эксперимента, разработаны рекомендации для конструкции и материального исполнения циклона-пылеулавливателя, эксплуатируемого в экстремальных условиях планеты Марс.
Ключевые слова: колонизация, космическое здравоохранение, Марс, пыль, пылеудаление, циклон-пылеулавливатель, модель, моделирование, ANSYS.
Актуальность темы.Первые колонизаторы высадятся на Марсе на постоянное поселение к 2032 году, заявил один из руководителей программы Mars One Бас Лансдорп. Целью программы Mars One является колонизация Красной планеты [14]. Вопреки ожидаемым прогнозам, эксперты в области космического здравоохранения высказывают мнение о том, что колонизация Марса займет гораздо больше времени, чем предполагалось. Причиной задержки может оказаться марсианская пыль.
Марсианская пыль может представить серьезную опасность из-за её проникновения в контролируемую среду обитания людей и как следствие возникновения трудностей, связанных с её извлечением [3]. Как вариант эффективного пылеудаления и очистки «марсианского воздуха» может быть циклон-пылеулавливатель.
Новизна темы исследования и современное положение исследуемой области. В рамках программы по оценки и прогнозированию всевозможных рисков для астронавтов, а также расчета количества необходимого провианта, воздуха, воды и других жизненно важных ресурсов, был разработан алгоритм Mars Settlement Analysis Tool. General Mission Analysis Tool (GMAT) — единственная в мире многофункциональная корпоративная программная система с открытым исходным кодом для проектирования, оптимизации и навигации космических миссий [2].
В свою очередь испанские планетологи разработали имитатор Марса, который повторяет температуру, состав атмосферы, освещенность и радиационный фон этой планеты. В настоящее время исследователи занялись изучением поведения марсианской пыли, которая является одним из главных препятствий для изучения Красной планеты. Как утверждают ученые, испытания в имитаторе помогут понять, что происходит с приборами при накоплении на них пыли, а также позволит выработать новые решения по их защите.
Принцип действия имитатора Марса. Вакуумная камера построена на модульной конструкции и работает при давлениях от 1000 до 10–6 мбар, так как в этом диапазоне давлений можно контролировать состав газа (атмосферу). Исследуемое устройство (или образец) можно облучать источником ультрафиолета, а его температуру можно регулировать в диапазоне от 108 до 423 К. Камера включает в себя механизм образования пыли, предназначенный для изучения осаждения марсианской пыли при изменении условий температуры и УФ-излучения [18].
В качестве примеров разработок пылеулавливателей (циклонов) можно рассматривать изобретения по патентам РФ № № 2159144 [9], 98117425 [10], 94003081 [11].
Например, «Струйно-инерционный пылеуловитель» — патент РФ № 2102115. Данный пылеуловитель содержит щелевое сопло для подачи загрязненного газа, ориентированное вниз тангенциально к криволинейной поверхности, камеру осаждения и направляющий щиток. Работа пылеуловителя основана на использовании эффекта Коанда. Поток газа изменяет свое направление на криволинейной поверхности, а частицы пыли продолжают лететь под действием сил инерции в бункер для сбора пыли. С помощью направляющего щитка создается вторичный циркуляционный поток, в котором происходит дополнительное осаждение пыли. Данный пылеуловитель позволяет очищать газ от крупно- и среднедисперсной пыли, мелкодисперсная пыль улавливается недостаточно. Кроме того, пылеуловитель данной конструкции сложен в изготовлении [12].
Таким образом, в циклонных пылеуловителях дисперсные частицы летят под действием сил инерции и, встречая препятствия, например стенки циклонов, теряют энергию и под действием сил гравитации собираются в пылесборники. Такие пылеуловители неплохо улавливают крупные дисперсные частицы, но мелкая пыль, имеющая небольшую массу, как правило, увлекается выходящим потоком газа.
Цель исследования.На основании результатов эксперимента по моделированию движения частиц пыли в циклоне в сравнительном аспекте применительно к планете Марс и Земля,разработать рекомендации для конструкции циклона-пылеулавливателя. эксплуатируемого на Марсе.
Гипотеза. Характер движения твердых частиц пыли в циклоне на Марсе и на Земле будут не одинаков.
Задачи, поставленные на пути к цели:
1) рассмотреть теоретические аспекты функционирования циклона — пылеулавливателя;
2) определить показатели, влияющие на движение частиц пыли в циклоне;
3) провести эксперимент по моделированию движения частиц пыли в циклоне относительно его применения на планете Марс и Земля;
4) разработать рекомендации для конструирования циклона, эксплуатируемого в экстремальных условиях Марса.
Объект исследования.Циклон — аппарат сухой очистки газов от пыли.
Предмет исследования. Математическая и графическая модель движения частиц пыли в циклоне в сравнительном аспекте применительно к планете Марс и Земля.
Методы и инструменты исследования. Эксперимент по моделированию движения частиц пыли в циклоне относительно его применения на планете Марс и Земля, был проведен методом конечно-элементного анализа [8].
И так, рассмотрим теоретические аспекты функционирования циклона — пылеулавливателя. Циклонные пылеуловители, чаще называемые просто циклонами. Циклон — это аппарат сухой очистки газов от пыли, где газовый поток вводится через патрубок по касательной к внутренней поверхности корпуса и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру [15]. Для технической реализации инерционного осаждения пыли в циклоне используется конструктивное решение, являющееся базовым для всех многочисленных конструкций. Классический вариант циклона-пылеуловителя представлен следующими конструктивными элементами (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция циклона-пылеуловителя [15]
Под действием центробежной силы частицы пыли образуют на стенках циклона пылевой слой, который постепенно опускается в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, проходит при повороте газового потока в бункере. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь и выходит через выходную трубу.
Циклоны имеют по сравнению с другими пылеуловителями следующие преимущества: высокая эффективность очистки воздуха; стабильность гидравлического сопротивления; большой диапазон производительности.
Недостатками циклонов являются: высокое гидравлическое сопротивление (до 1500 Па); большие габаритные размеры; плохо компонуются с другими элементами пневмосистем [16].
Для представления принципа функционирования циклона необходимо определить показатели, влияющие на движение частиц пыли в циклоне [6].
На частицу пыли, проходящую в потоке циклона, действует: сила тяжести [17]; сила сопротивления среды; центробежная сила. Центробежная сила направлена по радиусу к стенкам циклона и определяется по формуле (1) [1]:
Степень очистки в циклоне зависит от дисперсного состава частиц пыли в поступающем на очистку газе. Для распространённых циклонов степень очистки может достигать для частиц с условным диаметром: 20 микрон — 99,5 %; 10 микрон — 95 %; 5 микрон — 83 % [7].
Таким образом, эффективность циклона выше, чем больше диаметр частиц пыли, её удельный вес, скорость вращения газового потока и чем меньше диаметр циклона.
Делая вывод, мы можем с уверенностью констатировать: для проведения эксперимента по моделированию движения частиц пыли в циклоне — пылеулавливателе эксплуатируемого в экстремальных условиях планеты Марс, нам необходимы элементарные познания в геологии и атмосфере Марса [5].
Агентство NASA опубликовало фотографии марсианского ландшафта, сделанные в рекордном на сегодняшний день разрешении. Снимки были сделаны марсоходом Curiosity в период с 24 ноября по 1 декабря 2019 года [19]. Разрешение одной из присланных панорам составляет 1,8 миллиарда пикселей, а второй — 650 миллионов пикселей (рис.2).
Рис. 2. Фотографии марсианского ландшафта. А) песок и грунт; Б) пылевые барханы [19]
Результаты исследования марсианского грунта посадочными аппаратами показали, что преобладающей фракцией являются мелкие песчаные и пылевые частицы [5]. Материал эоловых наносов характеризуется размером зерен 0.1–10 мкм, материал не сдуваемого грунта , а также каменистого грунта имеет размер зерен от 0.1 мкм до 1.5 мм., реголит состоит из крупного песка и гравия с диаметром частиц до 6 мм. [4].
Согласно показаниям радара, путем косвенных расчетов с использованием измерений тепловой инерции и оценок величин сцепления: плотность реголита в 1.2–1.5 г/ см³; материал эоловых наносов 1.0–1.3 г/ см³; грунт с коркой и комковатый грунт 1.1–1.6 г/ см³; каменистый грунт 1.2–2.0 г/ см³; песок 1.1–1.3 г/ см³.
Таким образом, грунт Марса состоит из глины–мелкая пыль, мелкая пыль–средний песок, тонкий песок–мелкий гравий, тонкий–мелкий песок [4].
Результаты анализа эксперимента. Эксперимент проводился в программе ANSYS (рис.3). ANSYS это универсальная программная система конечно-элементного анализа [8].