1 Влияние формы и температуры криобота на процесс протаивания ледяных структур Ерохина О.С. Научный руководитель проф., д.т.н. Чумаченко Е.Н.

2 Принцип работы криобота Криобот - робот, способный проникать под толщу льда. Он растапливает поверхностный слой льда, создает скважину, и таким образом проходит сквозь лед. Помещенные на нем датчики измеряют необходимые параметры, затем передаются в пункт приема и сбора информации.

3 Краткие сведения о Европе Орбита = км от Юпитера Диаметр = 3138 км (0,25 диаметра Земли) Масса = кг (0,008 массы Земли) Плотность = 3,01 г/см 3 (0,58 плотности Земли) Европа была открыта Галилеем и Мариусом в 1610 году.

4 Строение Европы Толщина ледяного покрова ~10 км (3÷30 км) Слой солёной воды ~ 100 км (50 ÷100 км) Перепад температур в ледяном покрове от -5 до -170°С

5 Постановка задачи Рассматривается осесимметричная задача прохождения тел различных форм при различных рабочих температурах сквозь лед на трех этапах: при Т= -100°С, Т= -50°С и Т= -6°С Определяется скорость движения тел Определяется мощность теплового излучения с единицы поверхности криобота (закон Стефана-Больцмана) Определяется мощность теплового излучения с поверхности тела Определяется энергия внутреннего источника

6 Модель в системе SPLEN-K Задача рассматривается как осесимметричная. На каждом шаге рассматривается пласт льда: Т=1 (°С). Задача рассматривается при трех температурах: -100°С, -50°С, -6°С. Задаются параметры тела. Рассматривается три тела: шар, игла и капсула при различных рабочих температурах. Задаются кинематические и силовые граничные условия. Задаются температурные граничные условия. Задается шаг решения задачи протаивания. Он определяется следующим образом: величина протаивания по оси У не должна превышать 10% характерного размера тела. Решается температурная задача для определения температурных полей. Решается упругопластичная задача для определения напряженных состояний. Рассчитываются поля параметров разрушения согласно критерию Шлейхера-Надаи.

7 Начальные условия Уравнение теплопроводности: Начальное распределение температур: Т(х, у, 0) = Т 0 (х, у). Краевые условия:

8 Температурные поля (Тльда=-50°С) Шар Тш=30°С Шар Тш=60°С Игла Тбок=30°С Тверх=15°С Игла Тбок=60°С Тверх=30°С Капсула Тбок= 30°С Тверх=15°С Капсула Тбок= 60°С Тверх=30°С

9 Скорости тел Шар (Тш=30°С)Шар (Тш=60°С) Тльда= -100°С – 22,6 *10 -3 мм/с Тльда= -50°С – 63,88*10 -3 мм/с Тльда= -6°С – 12 мм/с Тльда= -100°С – 83,32*10 -3 мм/с Тльда= -50°С – 142,84*10 -3 мм/с Тльда= -6°С – 14,8 мм/с Игла (Тбок=30°С, Тверх=15°С)Игла (Тбок=60°С, Тверх=30°С) Тльда= -100°С – 36,36*10 -3 мм/с Тльда= -50°С – 92,28*10 -3 мм/с Тльда -6°С – 4 мм/с Тльда= -100°С – 140,52*10 -3 мм/с Тльда= -50°С – 162,48*10 -3 мм/с Тльда= -6°С – 4 мм/с Капсула (Тбок= 30°С, Тверх=15°С)Капсула (Тбок= 60°С, Тверх=30°С) Тльда= -100°С – 63,32*10 -3 мм/с Тльда= -50°С – 209,52*10 -3 мм/с Тльда= -6°С – 16,4 мм/с Тльда= -100°С – 80*10 -3 мм/с Тльда= -50°С – 226,68*10 -3 мм/с Тльда= -6°С – 3,6 мм/с

10 График зависимости скоростей тел от температуры льда

11 Время прохождения 1км Шар (Тш=30°С)Шар (Тш=60°С) Тльда= -100°С – 1,4 года Тльда= -50°С – 0,5 лет Тльда= -6°С – 1 день Тльда= -100°С – 137 дней Тльда= -50°С – 82 дня Тльда= -6°С – 18 часов Игла (Тбок=30°С, Тверх=15°С)Игла (Тбок=60°С, Тверх=30°С) Тльда= -100°С – 319 дней Тльда= -50°С – 127 дней Тльда -6°С – 3 дня Тльда= -100°С – 82 дня Тльда= -50°С – 73 дня Тльда= -6°С – 3 дня Капсула (Тбок= 30°С, Тверх=15°С)Капсула (Тбок= 60°С, Тверх=30°С) Тльда= -100°С – 0,5 лет Тльда= -50°С – 56 дней Тльда= -6°С – 17 часов Тльда -100°С – 137 дней Тльда -50°С – 55 дней Тльда -6°С – 3 дня

12 Время прохождения 10 км Шар (Тш=30°С) – 7,1 года Шар (Тш=60°С) – 2,18 года Игла (Тбок=30°С, Тверх=15°С) – 4,58 года Игла (Тбок=60°С, Тверх=30°С) – 1,53 года Капсула (Тбок=30°С, Тверх=15°С) – 2,45 года Капсула (Тбок=60°С, Тверх=30°С) – 1,98 года

13 Анализ скоростей В случае шара увеличение рабочей температуры криобота приводит к увеличению скорости протаивания при низких температурах более чем в 3,5 раза, и далее линейно убывает. В случае иглы увеличение рабочей температуры в два раза приводит к увеличению скорости протаивания. При температуре же -6°С скорости равны. В случае капсулы наблюдается незначительное увеличение скорости протаивания при увеличении рабочей температуры криобота при низких температурах. При относительно же высоких температурах, наоборот, наблюдается уменьшение скорости протаивания более чем в четыре раза.

14 Мощность излучения тел (закон Стефана-Больцмана) Шар (Тш=30°С) – 2160 Вт Шар (Тш=60°С) – 3152 Вт Игла (Тбок=30°С, Тверх=15°С) – 768 Вт Игла (Тбок=60°С, Тверх=30°С) – 1120 Вт Капсула (Тбок=30°С, Тверх=15°С) – 1872 Вт Капсула (Тбок=60°С, Тверх=30°С) – 1936 Вт

15 Необходимая энергия внутреннего источника Шар (Тш=30°С) – 483,6 ГДж Шар (Тш=60°С) – 110 ГДж Игла (Тбок=30°С, Тверх=15°С) – 206,8 ГДж Игла (Тбок=60°С, Тверх=30°С) – 76,8 ГДж Капсула (Тбок=30°С, Тверх=15°С) – 124 ГДж Капсула (Тбок=60°С, Тверх=30°С) – 99,6 ГДж Энергии 1ГДж хватит на то, чтобы одна лампочка мощностью 100 Вт работали на протяжении года по 8 часов в день.

16 Выводы В результате данного исследования по форме и температуре криобота предпочтение можно отдать игле (Тбок=60°С, Тверх=30°С). Но это лишь первый шаг на пути к построению модели криобота. В ней было сделано много упрощений и предположений (например, не учитывалось возникающее давление, трение и т.д.). Как видно, изменение формы тела, его рабочей температуры приводит к значительным изменениям скорости. Вопрос о источнике энергии, о способе подъема криобота на данном этапе не рассматривался. Но интерес к изучению Европы, а, следовательно, и к разработке криобота остается: ведь возможно, что планета пригодна для жизни.

17 Публикации Ерохина О.С., Логашина И.В. Моделирование формы оболочки криобота и выбор его рабочей температуры // Труды VIII Всероссийской с международным участием научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ « АКТ-2007» - Воронеж, 2007, стр Ерохина О.С. Определение оптимальной формы оболочки криобота, выбор его рабочей температуры // Научно- техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов - М.: МИЭМ, 2008, стр Ерохина О.С. Моделирование прохождения криобота ледяных структур // Новые информационные технологии. Тезисы докладов XVI Международной студенческой школы-семинара - М.: МИЭМ, 2008, стр (работа отмечена дипломом I степени)

18 Спасибо за внимание!