Эксперимент по тепловому потоку — лунный научный эксперимент, целью которого было измерение скорости потери тепла на поверхности Луны. Четыре эксперимента были проведены на борту миссий «Аполлон». Два эксперимента были успешно проведены в рамках «Аполлона-15» и «Аполлона-17» . Прибор на Аполлоне-16 был развернут, но кабель от него к центральной станции ALSEP был оборван, и эксперимент оказался невозможным. На борту «Аполлона-13» проводился эксперимент с тепловым потоком, но миссия была прервана в полете, и прибор так и не достиг поверхности. [1]
Установление некоторых тепловых свойств поверхности Луны уже было 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, длинными волнами, ограничивающими разрешение данных, и тем, как тепловые свойства Луны меняются с глубиной. [1]
Ни одному человеку нельзя приписать предложение измерить тепловой поток от Луны, учитывая большое количество предложений, которые НАСА запросило от академических кругов, промышленности и научных групп самого НАСА. Некоторые из них предложили такой эксперимент. [1] Однако в результате был сформирован небольшой комитет для изучения того, как можно провести тепловые измерения Луны. [1] Комитет решил, что фокус любого теплового эксперимента должен быть сосредоточен на тепловом потоке из недр Луны. [1]
Комитет рассмотрел ряд подходов, включавших несколько проверок, а также «одеяла». Первоначально метод бланкета был исключен из-за сложности сопоставления теплового альбедо зондов бланкета с тепловым альбедо поверхности Луны. [1] Метод, который лег в основу прибора, заключался в использовании цилиндрического нагревателя в паре с датчиком температуры на заданном расстоянии. [1] Дальнейшая работа этой группы установила, что зонд необходимо будет вводить в недра, чтобы избежать больших колебаний температуры, вызванных сменой дня и ночи на поверхности. [1] Корпорация Bendix была выбрана в качестве основного подрядчика по прибору, а Артур Д. Литтл — в качестве субподрядчика. [1] Компания Gulton Industries Inc. была выбрана для разработки электронной схемы. [1]
Из-за необходимости размещения зонда на глубине ниже поверхности реголита было известно, что для проникновения в поверхность Луны потребуется бур. [1] Разработкой бура руководил Мартин Мариетта , у которого уже был опыт разработки инструментов для НАСА. [1]
Комплект приборов состоит из двух зондов, каждый из которых состоит из двух секций длиной по 50 см. [3] На каждом конце секции имеется градиентный термометр, который может измерять температуру в двух точках на расстоянии 28 и 47 см от каждого конца. Таким образом, каждая секция может измерять температуру в четырех точках. [3] Кабели, соединяющие зонд с корпусом электроники эксперимента, также имеют 4 термопары на расстоянии 0 см, 65 см, 115 см и 165 см от самого верхнего датчика градиента. [3] На каждом конце секции также имеется нагреватель, позволяющий измерять проводимость материала. [3] Каждый нагреватель имел две настройки мощности: 0,002 Вт и 0,5 Вт, что позволяло исследовать диапазон возможных значений проводимости материалов. [3] Показания в ходе эксперимента снимались либо каждые 7,1 минуты, либо каждые 54 секунды в зависимости от режима нагревателя. [3] Секции зонда были установлены с помощью бура на поверхности Луны, в идеале на глубину 3 метра под поверхностью. [3]
Первоначально эксперимент с тепловым потоком планировалось провести на Аполлоне-13, но из-за произошедшего прерывания миссии этого не произошло. Этот инструмент сгорел в атмосфере Земли еще на борту лунного модуля. [1] Не было достаточно времени, чтобы добавить HFE к Аполлону-14. [1]
По мнению его главного исследователя, провал Аполлона-13 оказал влияние на сбор научных данных. Было обнаружено, что на запланированной площадке посадки Аполлона имеется значительное количество долгоживущих радиоизотопов. Главный исследователь проекта считал, что если бы была предпринята попытка развертывания инструментов «Аполлона-13», это привело бы к лучшему смягчению последствий в последующих миссиях проблем, возникших с буром и компактным реголитом. [1]
Бурением скважин на «Аполлоне-15» занимался Дэвид Скотт , командир миссии. После бурения на 100 см бур стал неэффективным, но, несмотря на ряд проблем, Скотту удалось пробурить скважину на глубину 170 см. К этому моменту Скотту пришлось приложить весь свой вес, и было принято решение ввести первый зонд, чтобы проверить работоспособность. [1] [3] Было начато бурение второй скважины, но сразу же возникли трудности с бурением, и завершение второй скважины было отложено для второй миссии в открытый космос . Вторую скважину удалось пробурить только на глубину 100 см, и зонд не оказался полностью под поверхностью Луны. [1] [3] Несмотря на эти трудности, зонды смогли снять показания. [1] [3]
Причина проблем заключалась в том, что более глубокие уровни лунного грунта не были нарушены в течение как минимум полмиллиарда лет. Это привело к сильному уплотнению, а это означало, что дальнейшее сжатие материала не могло произойти без большого усилия. [1]
На «Аполлоне-16» ямы для зондов выкопал Чарльз Дьюк , которому удалось пробурить скважину на глубину до 3 метров. [4] Учения на «Аполлоне-16» были модифицированы для устранения проблем, возникших в предыдущей миссии «Аполлон-15». Эксперимент подошел к концу, не успев начаться, когда Джон Янг споткнулся о кабель, соединяющий эксперимент с центральной станцией ALSEP. [5] [4] Несмотря на то, что кабель был спроектирован так, чтобы противостоять растягивающим напряжениям при перетягивании, он не был рассчитан на сопротивление разрывающим движениям. [1] Ремонт рассматривался, но был отклонен, поскольку для этого требовалось несколько часов нахождения на поверхности. [4]
Обе скважины «Аполлона-17» были пробурены без проблем, оба зонда были без проблем установлены и продолжали работать в течение нескольких лет. [1]
Эксперимент показал, что на самой близкой поверхности лунного реголита, состоящей из нескольких сантиметров, преобладает радиационная передача тепла. В первую очередь это связано с тем, что материал достаточно аэрирован, а контакт с частицами почвы ограничен, что снижает проводимость. [1] В лунный полдень 70% всей теплопередачи было радиационным. [1] После первых 2-3 см уплотнение почвы увеличивается и 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 температурный градиент в пределах 1,5-2,0 К/м при тепловом потоке около 17 мВт/м 2 . При учете неопределенности измерений это хорошо согласуется с сейсмическими и магнитными данными. [1] Это будет означать, что температуры будут относительно близки к плавлению на глубинах около 300 км. [1]