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楼主: tianlan
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[专题] 中国拟开发地月空间

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 楼主| tianlan 发表于 2020-2-14 16:02 | 显示全部楼层
楠宫晓风vn 发表于 2020-2-14 15:52
当然,大型加压月球车是可以大范围机动的,我所说的遥控也是遥控这种大型加压月球车

无人驾驶技术还是发展比较快,就是月球地形太复杂。就是在地球直接野外考察,时间上也是快不起来啊,估计以后可以考虑在重要节点之间修正道路。
hyperion 发表于 2020-2-14 16:05 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 15:57
这不是正好有需要解决的技术难题了吗?

目前进展,攻克常温常压下氢气存储与运输的世界性难题


更好的办法是根本就不用氢气,月球的特点是昼夜周期很长,因此能量系统的重量完全取决于储能装置的比能量,至于储能装置的充放电效率无关紧要。
因此电解水后不宜将氢气压缩储存,更合适的方法是通过甲烷化反应制成甲烷再储存。
对于氢氧储罐系统,30kg储罐可以储存9kg氢氧提供20kWh电力,电解水再燃料电池发电的效率约为33%。
而对于甲烷氧储罐系统,15kg储罐可以储存10kg甲烷氧提供20KWh电力,循环效率17%。基于电力计算的比能量提升了60%,如果考虑发电时的废热可以在夜间保温比不浪费的话,比能量提升了100%。
hyperion 发表于 2020-2-14 16:18 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 15:40
是的,月轨站短期月面驻留应该是要求在在14天白昼间完成,否则月夜能源问题不好解决。
如果能够找到合适 ...


月面长期驻留时储能代价很高,但与下个月再从月轨站飞过来比就不算什么了。15吨的LNG/LOX两级登月器(5t上升级+10t下降级),只能支持5t的有人模块往返。可要是将多余的这个登月器用来一次性下行的话,能多送10t载荷。这多余的10t载荷中假设5t是化学储能设备,那么能在夜间提供至少2000kWh电力和3000kWh废热,分配在14天就是平均功率6kW电力和9kW热量。
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-14 16:23 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-14 16:05
更好的办法是根本就不用氢气,月球的特点是昼夜周期很长,因此能量系统的重量完全取决于储能装置的比能 ...

因为是在极区,这块储能装置可能并不需要太强大,甲烷氧储罐系统是更好的方案。估计到时候这个主要是备用能源储备吧?
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-14 16:25 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-14 16:18
月面长期驻留时储能代价很高,但与下个月再从月轨站飞过来比就不算什么了。15吨的LNG/LOX两级登月器(5 ...

在极区永昼区域建设太阳能电站应该是主要能源装置,基于月球水资源的甲烷氧储罐系统可以作为备用能源系统,双备份提高系统冗余度。
楠宫晓风vn 发表于 2020-2-14 16:25 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-14 16:05
更好的办法是根本就不用氢气,月球的特点是昼夜周期很长,因此能量系统的重量完全取决于储能装置的比能 ...

月球缺碳                  
hyperion 发表于 2020-2-14 16:27 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 16:23
因为是在极区,这块储能装置可能并不需要太强大,甲烷氧储罐系统是更好的方案。估计到时候这个主要是备用 ...


我是说月面长期(>14天)驻留科考移动基地的储能,这些考察任务多半不在极区永昼峰上。毕竟不能一次任务丢一个核反应堆吧?而且为了屏蔽辐射,核辐射最好埋起来,不方便移动,也需要施工。
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-14 16:30 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-14 16:27
我是说月面长期(>14天)驻留科考移动基地的储能,毕竟不能一次任务丢一个核反应堆吧?而且为了屏蔽辐射 ...

科考移动基地的话,感觉有些重,像南极那样带着科考装备前进,估计有不小的难度!无人系统应该好解决,有人就麻烦啦
hyperion 发表于 2020-2-14 16:31 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
楠宫晓风vn 发表于 2020-2-14 16:25
月球缺碳

请自带!储能系统根本不需要从月球获得物资,前面给你算了储能系统的大部分重量是储罐、电解水装置、甲烷化反应器、各类管路与控制设备,结构与外壳等等,储能工质的占比反而不高,因此没必要从月球获得这些补给。
hyperion 发表于 2020-2-14 16:35 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 16:30
科考移动基地的话,感觉有些重,像南极那样带着科考装备前进,估计有不小的难度!无人系统应该好解决,有 ...

是的,无人车在夜间可以关机,只需要保证关键器件温控即可,不需要像加压月球车一样保证整个加压舱的温控。
但是对于有人任务,只要一地的科考时间超过两周,就得长期驻留呀。让任务组科考两周就返回月轨站,等两周再回来的代价更大。
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-14 16:37 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-14 16:35
是的,无人车在夜间可以关机,只需要保证关键器件温控即可,不需要像加压月球车一样保证整个加压舱的温控 ...

嗯嗯,估计目前极区都要研究很长时间吧?参考南极科考也差不多的样子
hyperion 发表于 2020-2-14 16:42 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 16:37
嗯嗯,估计目前极区都要研究很长时间吧?参考南极科考也差不多的样子

就看极区有多少冰了,太多了的都不用有人科考,直接无人开采都可以。比如用罩子扣在永夜坑冻土上,一边用红外辐射加热器加热,另一边用冷阱液化收集水蒸气。这样的设计不用挖掘等等复杂步骤,很适合无人运行。而如果冰太少就没多大研究价值了。
hyperion 发表于 2020-2-14 20:28 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 16:30
科考移动基地的话,感觉有些重,像南极那样带着科考装备前进,估计有不小的难度!无人系统应该好解决,有 ...

之前有个帖子:日本本田研发的加压月球车,重量6t,加压容积13m3,可以装2-4人。
参考阿波罗月球车,6t月球车以4km/h行驶时功耗大约要3.5kW。
hyperion 发表于 2020-2-14 20:36 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 13:52
这个思路好啊,就是大型月球基地车好不好度过月夜的寒冷呢?

分析一下大型加压月球车的热控问题:以日本本田月球车为例,加压容积13m3,加压舱表面积目测30-40m2吧?假设只有加压舱表面有热辐射损散热失的话,表面散热温度250K(较薄的隔热层即可),表面辐射率9%(抛光金属水平不难达到),表面辐射功率20W/m2,那么整体散热也就600-800W,两个人的代谢散热>300W,那么只要稍微有点设备就能满足最低热控要求了,设备启动的再多还要打开辐射散热器。
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-14 22:04 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-14 20:36
分析一下大型加压月球车的热控问题:以日本本田月球车为例,加压容积13m3,加压舱表面积目测30-40m2吧? ...

分析得不错,就是科考移动基地风险比较大,还是多做好基础研究
hyperion 发表于 2020-2-14 22:15 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-14 22:04
分析得不错,就是科考移动基地风险比较大,还是多做好基础研究

风险一点也不大,就是要稍微修改使用方式。不是任务组开车前往各个科考点,而是任务组在一个科考点完成科考后,由上升器返回月轨站,大型月球车无人驾驶前往下一个科考点,大型月球车到达并自检正常后,任务组再做下降器下来科考。
大型月球车前往下一个科考点所需的时间可能较长,那么可以用两组大型月球车交替服务一个任务组,轮换进行科考和前往科考点。
这么搞以后就几乎没风险了,因为风险最大的长途移动过程无人,抵达科考点后大型月球车不用太移动。
按照一次任务三到六个月,再用三到六个月到达下一个科考点计算,寿命五年的大型月球车可以复用5-10次。
hyperion 发表于 2020-2-15 09:09 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
楠宫晓风vn 发表于 2020-2-14 15:01
我就是说的维生物质
不需要亲自前往勘察点,也需要拥有通行能力的航线路径啊。以月球极点的崎岖地形,地 ...

另外,其实维生资源、补给品包装什么的都可以通过甲烷化生保系统制成推进剂供上升段使用。
甲烷化生保系统将人呼吸的水蒸气电解为氢气,再用氢气与呼吸出的二氧化碳合成为甲烷,总反应大致为:30g葡萄糖变成22g二氧化碳和8g甲烷。
那么只要多带一份水,就能将所有糖代谢的二氧化碳都转化为甲烷作为推进剂使用了。总反应大致为:30g葡萄糖+18g水=16g甲烷+32g氧气,再额外带上24g氧气就能匹配成72g混合比3.5的LNG/LOX推进剂。
至于包装材料,基本上是聚乙烯/聚丙烯之类的塑料,也可以粉碎焚烧,再将燃烧生成的二氧化碳搭配水电解氢甲烷化使用。甚至货运模块结构材料可以用芳纶增强塑料之类的,也能焚烧再甲烷化使用。
这样就大大降低了登月器上升段的推进剂补给需求。
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-18 19:25 | 显示全部楼层
http://www.clep.org.cn/n5982044/n5988857/c6808720/content.html
冰冷的月坑中,或许有可利用的水冰资源
发布时间:2020-01-21   文章来源 : 科技日报   字号: 大 中 小

  近日,在美国旧金山举行的美国地球物理联合会(AGU)秋季会议上,行星科学家对于月球两极永久阴影区内陨石坑中的化学物质提出了新的见解,以及利用这些化学物质所需要的基本条件。

  由于月球独特的自转倾斜角度,使得太阳光直接照射在其赤道位置,这让月球极地区域的许多陨石坑受到‘冷落’,有些甚至常年不见阳光,被永久地吞没在寒冷的黑暗中,就像一个个‘冰箱’,他们被称为冷阱(cold traps)。月球极区的这些冷阱,是几十亿年来被彗星和小行星撞击后留下的“伤疤”。彗星的撞击可能给月球留下水蒸气、二氧化碳和甲烷等物质。由于月球没有类似地球的大气层保护,这些化学物质中的大多数会在阳光下分解并逃逸到太空中。但是,如果这些化学物质最终进入月球极区的冷阱中,它们就可能会摆脱蒸发的命运,被冻结数十亿年。因此科学家推测,在处于极端低温条件下的永久阴影区,存在有机物、水、冰等化学物质,但目前都是采用遥感手段得到的探测结果,并没有实地采样,所以这些化学物质到底是不是存在、含量有多高,还有待进一步证实。十多年来,美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道器(LRO)一直在测量来自太空中恒星和氢气的微弱紫外线反射到月球冷阱中的信号。2019年科学家们研究了名为福斯蒂尼(Faustini)陨石坑的反射数据,发现反射的突然变化信号与冰有关,也认为这可能表明了有二氧化碳的存在。利用LRO收集到的相关数据,考虑到分子在到达冷阱前被分解的可能性,研究人员建立了一种模型,模拟研究了究竟有多少二氧化碳会进入到冷阱中。其研究结果表明有15%—20%的二氧化碳最终会落入冷阱中,这比此前预测数据要高,考虑到相对较小的冷阱面积,这一结果令人感到吃惊。

  了解这些化学物质和冷阱的具体信息,有可能将其作为一种潜在资源加以利用。如果人类在月球上定居,就可以把他们当作水源或燃料。月球上的化学物质保存在深坑中,因为那里温度低,并不会挥发。太空辐射会分解蛋白质、氨基酸等复杂有机物,但对干冰、水冰等化学物质并无影响,因而有可能长期地保存下来。他们是人类在月球上长期生存所需要开发利用的重要资源,毕竟把同类资源从地球上运输过去成本太高昂了。月球极区不像其他地方,不仅存在极昼和极夜现象,且阳光不会垂直照射,温度虽然很低,但昼夜变化相对平和,有利于探测仪器长时间稳定工作。而月球极地的冷阱处于极端低温且永远处于阴影区,所以探测仪器极难进行资源采集的工作,很多技术难题有待攻克。另外,由于月球水冰资源主要存在于月壤之中,并且存在形式复杂(混合水、束缚水、深埋冰块等),具有时变性、分层性、跨区域性等不确定性,对其开发和利用提出巨大挑战。月球极区资源开发利用主要包括对月球极区水冰等挥发物资源的识别、含挥发物月壤的采集,以及挥发物的加热提取、冷凝收集、分解转换等多个技术环节。同时,月球极端环境下水冰和挥发物资源的开发利用面临很多工程技术问题,如何结合月球极区极端低温、缺乏光照的环境特点,寻求合理的技术途径和方法,将是对月球极区水冰资源开发利用的关键。

  水冰资源作为深空探索活动,特别是载人探索活动的重要物质和能源,其应用贯穿于推进能源和再生生命保障系统的主要分系统和关键技术环节,其重要性不言而喻。蕴藏水冰等物质资源最为丰富的月球极区将是世界各国月球基地建设、长期运行的首选区域,也是未来载人登月活动的重要目标。因此,月球极区资源开发利用,特别是水冰资源,将成为近期探月活动的研究热点。
hyperion 发表于 2020-2-18 19:43 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
tianlan 发表于 2020-2-18 19:25
http://www.clep.org.cn/n5982044/n5988857/c6808720/content.html
冰冷的月坑中,或许有可利用的水冰资源 ...


从月球极区永夜坑里开采水似乎没那么麻烦,那么对于试验型的采水车,也可以靠MMRTG加热含冰土,再用吸附床吸收蒸发的水蒸气,然后再用MMRTG加热吸附床解吸水。两组MMRTG废热功率1865W*2,假设提取1kg水需要21kWh,那么一个小时也能提取178g,一年就是1560kg。
 楼主| tianlan 发表于 2020-2-18 23:54 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-2-18 19:43
从月球极区永夜坑里开采水似乎没那么麻烦,那么对于试验型的采水车,也可以靠MMRTG加热含冰土,再用吸 ...

可能情况还是比较复杂,需要多准备几套方案上去试一试吧。
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