Эксперимент по исследованию теплового потока был научным экспериментом NASA США на Луне, целью которого было измерение скорости потери тепла с поверхности Луны . Четыре эксперимента были проведены на борту миссий Apollo. Два эксперимента были успешно развернуты в рамках миссий Apollo 15 и Apollo 17. Прибор на Apollo 16 был развернут, но кабель от него до центральной станции ALSEP был сломан, и эксперимент оказался неработоспособным. Эксперимент по исследованию теплового потока был проведен на борту Apollo 13, но миссия была прервана в полете, и прибор так и не достиг поверхности. [1]
Установление некоторых тепловых свойств поверхности Луны было уже осуществимо ко времени миссий Аполлона. Измерение инфракрасного излучения с помощью телескопа и измерение спектров микроволнового излучения Луны уже было возможно с поверхности Земли. [2] Эти методы уже установили некоторые характеристики поверхности Луны, включая температуру , теплопроводность и теплоемкость . [1] Степень, в которой эти свойства были ограничены низким уровнем ИК-излучения, длинные волны, ограничивающие разрешение данных, и то, как тепловые свойства Луны изменяются с глубиной. [1]
Ни один человек не может быть приписан к предложению измерить тепловой поток от Луны, учитывая большое количество предложений, которые НАСА запросило от академических кругов, промышленности и научных групп в самом НАСА. Некоторые из них предложили такой эксперимент. [1] Однако результатом стало то, что был сформирован небольшой комитет для изучения того, как можно проводить тепловые измерения Луны. [1] Комитет решил, что фокус любого теплового эксперимента должен быть сосредоточен на тепловом потоке из недр Луны. [1]
Комитет рассмотрел несколько подходов, включавших несколько зондов, и еще один, включавший «одеяла». Метод одеяла был изначально исключен из-за сложности согласования термического альбедо зондов одеяла с альбедо поверхности Луны. [1] Метод, который стал основой для инструмента, представлял собой цилиндрический нагреватель, соединенный с датчиком температуры на заданном расстоянии. [1] Дальнейшая работа этой группы установила, что зонд необходимо будет вставить в подповерхность, чтобы избежать больших колебаний температуры, вызванных циклом день-ночь на поверхности. [1] Bendix Corporation была выбрана в качестве основного подрядчика для инструмента, а Arthur D. Little был субподрядчиком. [1] Gulton Industries Inc. была выбрана для разработки электронной схемы. [1]
В связи с необходимостью размещения зонда на глубине под поверхностью реголита было известно, что для проникновения в лунную поверхность потребуется бур. [1] Разработкой бура руководил Мартин Мариетта , имевший предыдущий опыт разработки инструментов для NASA. [1]
Пакет инструментов состоит из двух зондов, каждый из которых состоит из двух секций длиной 50 см (20 дюймов). [3] Каждый конец секции имеет градиентный термометр, который может измерять в двух точках на расстоянии 28 и 47 см (11 и 19 дюймов) от каждого конца. Таким образом, каждая секция может измерять температуру в четырех точках. [3] Кабели, которые соединяют зонд с корпусом электроники эксперимента, также имеют 4 термопары на расстоянии 0, 65, 115 и 165 см (0, 26, 45 и 65 дюймов) от самого верхнего градиентного датчика. [3] Каждый конец секции также содержит нагреватель, позволяющий измерять проводимость материала. [3] Каждый нагреватель имел две настройки мощности, 0,002 Вт и 0,5 Вт, что позволяло проводить исследование в диапазоне возможных проводимостей материалов. [3] Показания эксперимента снимались либо каждые 7,1 минуты, либо каждые 54 секунды в зависимости от режима нагревателя. [3] Секции зонда были размещены с помощью бура Lunar Surface, в идеале на глубине 3 м (10 футов) под поверхностью. [3]
Эксперимент по тепловому потоку изначально планировалось провести на Apollo 13, но из-за отмены миссии этого не произошло. Этот прибор сгорел в атмосфере Земли, все еще находясь на борту лунного модуля. [1] Не было достаточно времени, чтобы добавить HFE на Apollo 14. [1]
Главный исследователь проекта считал, что провал миссии Apollo 13 оказал влияние на сбор научных данных. Было обнаружено, что в запланированном месте посадки миссии Apollo имеется значительное количество долгоживущего радиоизотопа. Главный исследователь проекта считал, что если бы была предпринята попытка развертывания инструментов миссии Apollo 13, это привело бы к лучшему смягчению последствий проблем, возникших с буром и плотным реголитом, в последующих миссиях. [1]
Бурение отверстий на Apollo 15 было предпринято Дэвидом Скоттом , командиром миссии. После бурения на глубину 100 см (39 дюймов) бур начал становиться неэффективным, но, несмотря на ряд трудностей, Скотту удалось пробурить скважину на глубину 170 см (67 дюймов). К этому моменту Скотту пришлось приложить весь свой вес, и было принято решение вставить первый зонд, чтобы доказать его функциональность. [1] [3] Было начато бурение второго отверстия, но сразу же возникли трудности с бурением, и завершение второго отверстия было отложено для второго выхода в открытый космос миссии . Второе отверстие удалось пробурить только на глубину 100 см, и зонд не полностью погрузился под поверхность Луны. [1] [3] Несмотря на эти трудности, зонды смогли снять показания. [1] [3]
Причиной проблем было то, что более глубокие слои лунного грунта не были потревожены по крайней мере полмиллиарда лет. Это привело к чрезвычайному уплотнению, что означало, что дальнейшее сжатие материала не могло произойти без большого количества силы. [1]
На Apollo 16 отверстия для зондов были вырыты Чарльзом Дьюком , которому удалось пробурить скважину на глубину 3 м (10 футов) под поверхностью. [4] Бур на Apollo 16 был модифицирован для устранения проблем, возникших в предыдущей миссии, Apollo 15. Эксперимент был завершен до его начала, когда Джон Янг споткнулся о кабель, соединяющий эксперимент с центральной станцией ALSEP. [5] [4] Кабель был спроектирован так, чтобы выдерживать растягивающие напряжения при натяжении, но он не был рассчитан на сопротивление разрывным движениям. [1] Ремонт рассматривался, но был отклонен, поскольку для этого требовалось несколько часов на поверхности. [4]
Обе скважины Аполлона-17 были пробурены без проблем, и оба зонда были установлены без проблем и продолжали работать в течение нескольких лет. [1]
Эксперимент показал, что в непосредственной близости от поверхности лунного реголита, состоящего из нескольких сантиметров, преобладает лучистый перенос тепла. Это в первую очередь связано с тем, что материал довольно рыхлый, а ограниченный контакт с частицами почвы снижает кондуктивный перенос. [1] В лунный полдень 70% всего переноса тепла было лучистым. [1] После первых 2–3 см (0,8–1,2 дюйма) уплотнение почвы увеличивается, а последующая плотность увеличивается с 1,1–1,2 г/см3 до 1,75–2,1 г/см3. Результатом является существенное увеличение проводимости. [1]
HFE обнаружил тепловой градиент в пределах 1,5–2,0 К/м с тепловым потоком около 17 мВт/м 2 . При учете погрешности измерений это хорошо согласуется с сейсмическими и магнитными данными. [1] Это подразумевает температуры, которые будут относительно близки к плавлению на глубинах около 300 км (190 миль). [1]