Как атмосферный зонд измеряет температуру во время спуска?

Как подробно описано Элом Сейффом и TCD Knight в их статье в мае 1992 г. в Space Science Reviews, Vol 60; Инструмент структуры атмосферы зонда Galileo (который можно прочитать без платного доступа, нажав « распечатать эту статью »"), зонд "Галилео" измерил температуру атмосферы в тропосфере Юпитера с помощью платинового термометра сопротивления (PRD). В отличие от термопары, PRD сам по себе не генерирует значительного электрического потенциала (напряжения). Вместо этого электроника прибора подает небольшое напряжение на очень тонкий платиновый провод. Сопротивление этого платинового провода зависит от его температуры. Прибор измеряет ток, протекающий по проводу в результате приложенного напряжения. Его можно преобразовать в сопротивление провода (через E = IR) и из Это зависит от его температуры. Поскольку поток тока может нагревать платиновую проволоку, приложенное напряжение очень низкое, чтобы поддерживать ток и, следовательно, нагрев низким. Но проволока ОЧЕНЬ тонкая, поэтому любое тепло, выделяемое потоком тока, быстро рассеивается в (быстро) обтекающая датчик атмосфера.Тонкая проволока также помогает быстро прийти в равновесие с окружающей атмосферой, поэтому «тепловая задержка» незначительна.

Радиометр на зонде Галилео должен был измерять в зависимости от глубины атмосферы, сколько лучистой энергии (солнечного света) распространяется вниз в атмосфере Юпитера, по сравнению с тем, сколько лучистой энергии распространяется вверх (тепловое излучение в космос). Это позволило ученым-атмосферникам измерить, где в атмосфере Юпитера откладывается солнечная энергия, сколько энергии поступает из недр, а затем, соотнеся с измерениями скорости ветра в Доплеровском эксперименте по ветру, определить, движутся ли ветры Юпитера в основном за счет солнечной энергии или энергии, исходящей изнутри.

Из статьи :

После входа в атмосферу Юпитера на скорости 170 700 км/ч (~47 км/с) он использовал свой абляционный тепловой экран для замедления. Через 2 минуты, достигнув уровня замедления 230 g, он двигался со скоростью всего 430 км/ч. Затем он раскрыл парашют и за следующие 57,6 минут спустился на 200 км со средней скоростью 208 км/ч.

Есть несколько способов измерения температуры газового потока; Я все еще изучаю конструкцию системы измерения температуры и обновлю этот раздел результатами. Хотя можно сказать, что когда газовый поток имеет низкую скорость, жизнеспособным методом является использование термопары.

Термопары имеют широкий спектр возможностей. Конечно, любой эффективный датчик температуры быстро достигает температуры окружающей среды, иначе он не был бы очень полезен.

Термопары работают, генерируя небольшое электрическое напряжение от соединения двух разных металлов, называемого биметаллическим соединением.

Как уже упоминалось, обновления следуют. Также ссылки.

Что касается подвопроса об измерении температуры на некотором расстоянии от зонда, то ответ утвердительный ; Смотри ниже. Измерения, проводимые в основном в контакте с интересующим объектом, такие как измерение температуры атмосферных газов с помощью датчика, контактирующего с газами, называются измерениями «на месте». Измерения, производимые на расстоянии с помощью чего-либо, обычно электромагнитного излучения того или иного рода, распространяющегося от места нахождения предмета к месту расположения датчика, называются измерениями «дистанционного зондирования». Вы спрашиваете, существуют ли какие-либо методы дистанционного зондирования, которые можно было бы применить к зонду входа в атмосферу, верно?

Действительно есть, но вы жертвуете как точностью измерений, так и распределением массы инструментов миссии. Методом, наиболее часто используемым для дистанционного измерения температуры, является инфракрасная радиометрия. Или вы можете использовать микроволновую радиометрию, если вы измеряете очень низкие температуры. Но этот метод наиболее полезен для измерения температуры твердых тел. В инфракрасном диапазоне коэффициент излучения большинства твердых тел очень близок к единице, поэтому они ведут себя почти как излучатели абсолютно черного тела. Если вы измерите интенсивность излучения черного тела, испускаемого объектом на нескольких длинах волн (по крайней мере, двух, а лучше больше), форма спектра черного тела скажет вам, какой должна быть температура объекта, чтобы соответствовать схеме измерений. .

В качестве примера приложения для измерения температуры твердых тел можно привести недорогие ручные радиометры, в которых используется этот метод, обычно доступные в хозяйственных магазинах. У меня есть один дома. Они определенно круты, определенно полезны, когда домашний кондиционер делает что-то странное, и в меру точны. Примечание: они не очень точны! Для различных материалов коэффициенты излучения инфракрасного излучения немного различаются в ИК-диапазоне, и это влияет на предположение об идеальном излучателе черного тела. Таким образом, с помощью одного из этих устройств вы можете получить температуру с точностью до 1 или 2 °C, но не до 0,1 °C.

Дистанционные измерения температуры газов — совсем другое дело. Спектры излучения газов совершенно не чернотельные и сильно различаются для разных газов, поэтому предположение о спектре абсолютно черного тела неверно. Можно произвести радиометрические измерения интенсивности ИК-излучения и определить температуру смеси газов, если точно знатьсостав этой смеси газов. Если вы знаете этот состав, то можете провести радиометрические измерения на тщательно выбранных длинах волн и получить температуру. Но радиационное поведение газов чем-то похоже на поведение проводимости полупроводников: требуется совсем немного чего-то, чтобы резко изменить их поведение, особенно на одной длине волны. Итак, если вы пытаетесь провести радиометрические измерения температуры атмосферы гигантской планеты и предполагаете, что в этой атмосфере присутствуют все обычные компоненты (водород, гелий, метан, вода, аммиак, сероводород), фосфина, угарного газа, хлористого водорода или чего-то подобного, то калибровка радиометра больше недействительна, и вы не можете доверять предполагаемым температурам.

Еще одна причина для использования измерений in situ на входном зонде заключается в том, что они очень мало весят и потребляют меньше энергии. Радиометры более массивны и потребляют больше энергии, и они являются ценным товаром в миссии зондирования входа.

Если некоторые из научных целей, которые вы пытаетесь достичь на планете, имеют такой высокий приоритет и настолько трудно выполнить удаленно, что вы отправляете входной зонд для выполнения необходимых измерений, то измерение температуры на месте безоговорочный победитель в этой сделке.

Сеть дальнего космоса НАСА использует микроволновый радиометр на своих крупных наземных станциях для измерения не температуры местного воздуха, а количества водяного пара в местном воздухе. Количество водяного пара в воздухе влияет на его показатель преломления, и это влияет на измерения расстояния до космического корабля, за которым они следят, что вызывает беспокойство, особенно когда они пытаются измерить гравитационное поле планеты, на которой находится космический корабль. Такой вид измерения водяного пара возможен, потому что мы знаем состав земной атмосферы с точностью до комариной ресницы, при этом основной переменной величиной является водяной пар.