Arbeiten Elektronik und Mechanik im Vakuum oder benötigen eine abgeschlossene Schutzatmosphäre?

Im Allgemeinen lecken alle „luftdichten“ Behälter bis zu einem gewissen Grad. Auf der Erde manifestiert sich dies als Unfähigkeit, ein Vakuum auf unbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten; Im Weltraum manifestiert es sich als Unfähigkeit, eine Atmosphäre ohne eine Quelle für Nachschubgase auf unbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten (die selbst im Laufe der Zeit austreten werden, sodass Sie wirklich nur das Unvermeidliche verzögern). Wenn Sie in einem von beiden einen perfekten Drucksensor platzieren würden, würde sich sein Wert allmählich dem der Umgebung außerhalb des Druckbehälters annähern. Die Leckrate kann klein genug gemacht werden, um während der beabsichtigten Hauptmission des Raumfahrzeugs als vernachlässigbar oder zumindest belanglos angesehen zu werden, aber sie wird immer noch ungleich Null sein.

Infolgedessen ist es für Raumfahrzeuge, die für einen jahrelangen oder jahrzehntelangen Betrieb im Weltraum ausgelegt sind, sinnvoll, die Anzahl der Teile zu minimieren, die in einer Atmosphäre betrieben werden müssen. Durch Minimierung des Druckbehältervolumens (und Drucks) kann bei gleicher Masse die Leckrate reduziert werden. Die ultimative Reduzierung des Druckbehältervolumens besteht darin, den Druckbehälter vollständig zu entfernen, wodurch alles dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt bleibt.

Somit wäre alles, was nicht tatsächlich in einer Atmosphäre betrieben werden muss , für den Betrieb im Vakuum zugelassen und wahrscheinlich einfach deshalb ausgesetzt, weil es die Dinge einfacher macht. Eine Folge davon sind die Schwierigkeiten, Abwärme loszuwerden; In einem Vakuum können Sie nicht einfach einen Lüfter laufen lassen und damit fertig sein!

Zu deinen konkreten Beispielen:

der Voyager- oder Galileo-Tonbandrecorder arbeitet im Vakuum ohne schreckliche Haftreibungsprobleme

Ich verstehe nicht wirklich, wie das folgt, selbst wenn übliche Geräte, wie sie am Boden verwendet werden, diese Probleme haben würden (was ich nicht sicher bin). Materialien können so ausgewählt werden, dass sie die gewünschten Eigenschaften im Vakuum haben; Es ist nicht so, als würde ein Raumschiff wohl oder übel aus handelsüblichen Teilen zusammengebaut, ohne darüber nachzudenken, wie es sich in der ursprünglichen Umgebung des Raumfahrzeugs verhalten wird.

HDDs würden überhaupt nicht funktionieren

HDDs sind in erster Linie aufgrund von Vibrationen, insbesondere während des Starts, und ihrer Abhängigkeit von komplizierten beweglichen Teilen nicht wirklich für Raumfahrzeuge geeignet. Es ist möglich, eine Festplatte herzustellen, die nicht auf Luftturbulenzen angewiesen ist, um den Lese-/Schreibkopf auf der richtigen Höhe über der Platte zu halten, aber das löst keines der anderen Probleme, die Festplatten in der Raumfahrt haben würden.

viele Instrumente, die in der Erdatmosphäre absolut zuverlässig arbeiten und sich plötzlich im Vakuum wiederfinden

An einem Raumschiff ist überhaupt nichts Plötzliches. Das Entwerfen und Starten eines relativ großen und komplexen Raumfahrzeugs kostet leicht Hunderte von Millionen bis Milliarden Dollar. Angesichts solcher Grundkosten ist eine Prämie von mehreren Millionen für vakuumtaugliche Teile und Feststoffprüfungen leicht zu rechtfertigen, wenn dies den Unterschied zwischen dem erfolgreichen Abschluss des Hauptauftrags durch das Raumfahrzeug oder dem sehr wahrscheinlichen erfolgreichen Abschluss des Hauptauftrags ausmacht.

Wenn überhaupt, vermute ich, dass es für Designer von Raumfahrzeugen schwieriger ist, die sowohl in einer Atmosphäre als auch im Vakuum des Weltraums arbeiten müssen.

Die Elektronik der meisten modernen Raumfahrzeuge arbeitet im Vakuum, zumindest die meisten von ihnen. Besonders Dinge mit beweglichen Teilen, wie Reaktionsräder, könnten etwas Atmosphäre erfordern. Diese kleinen Komponenten sind die einzigen Komponenten, die versiegelt sind, alle anderen sind für das Vakuum des Weltraums geöffnet. Sehr frühe Raumfahrzeuge waren nicht als solche konzipiert.

Ich kann nicht wirklich finden, welche Komponenten auf Voyager vakuumversiegelt sind, aber wenn es Teile gibt, gibt es nicht viele.

Sie führen Vakuumtests auf der Erde durch, um sicherzustellen, dass es keine Probleme gibt. Dies wird oft als T-VAC-Test oder thermisches Vakuum bezeichnet, bei dem sie eine Kammer vollständig aussaugen und das Raumschiff mit verschiedenen thermischen Zyklen testen.

Mechanische Lager sind im Vakuum des Weltraums ein Problem. Fett verdampft. Wenn dünne Oxidschichten auf der Oberfläche von Metallteilen durch Reibung entfernt werden, ist ein Kaltverschweißen dieser Teile möglich.

Das ist ein bisschen umständlich, aber das bemannte Voskhod-Raumschiff hatte eine unter Druck stehende Elektronikkammer. Es wurden Vakuumröhren verwendet und sie wurden mit Blasluft gekühlt. Ich nehme an, diese Luft muss auch über einen Kühlkörper oder so etwas gegangen sein. Nicht sicher, wie das funktioniert hat.

Schätzen Sie die ganze Diskussion darüber. Versuch mal zusammenzufassen:

1. Die heutige Elektronik ist darauf ausgelegt, im Vakuum zu arbeiten. Es ist dennoch möglich, dass es Situationen gibt, in denen es wünschenswert ist, die Elektronik abzudichten, um Ausgasungen zu reduzieren, die einige empfindliche Sensoren beeinträchtigen könnten. Ich kann mir vorstellen, dass Weltraumteleskope ihre Elektronik versiegeln möchten - wenn auch vielleicht immer noch mit einer kleinen Verschnaufpause und einem Labyrinth und Filter.

2. Bei Lagern scheint es Öle und Fette zu geben, die für den Einsatz im offenen Vakuumbetrieb über einen angemessenen Temperaturbereich ausgelegt sind. Im Allgemeinen scheint das Abdichten einer Einheit wie eines Reaktionsrads eine gute Idee zu sein, um die Schmiermittelverdunstung zu begrenzen. Warum es notwendig ist, Gas in das Gerät einzuführen, ist nicht klar. Es gibt einige Kommentare unter: https://www.grc.nasa.gov/WWW/spacemech/vol1.html , die zum Beispiel sagen: „Nye 179 wurde als die beste Wahl für diese Anwendung angesehen. Seine Leistung im Vakuum war weitaus besser als die von SRG-40, und seine Leistung in Helium war das beste aller getesteten Öle [Kalegoras] Die Verwendung von Sauerstoff als Bestandteil des Füllgases von Reaktionsrädern wurde als unnötig und im Allgemeinen schädlich für die Lebensdauer des Lagers bestimmt Schmiermittel. [Kalegoras]"

3. Eine Sache, die ich definitiv entdeckt habe, ist, dass Tonbandgeräte immer versiegelt sind. Daran ist viel gearbeitet worden. Klebeband erfordert eine kontrollierte Luftfeuchtigkeit, idealerweise im Bereich von 30-50 %. Unterhalb dieses Bereichs treten elektrostatische Entladung und Kopfverschleiß auf. Oberhalb dieses Bereichs verursacht die Hydrolyse des Kunststoffbindemittels klebrige Ablagerungen und „braune Flecken“ auf dem Kopf. Das Galileo-Tonbandgerät wird in einer Stickstoff/Helium-Atmosphäre mit der entsprechenden Feuchtigkeit eingeschlossen. Es gibt einen ausgezeichneten ausführlichen Artikel: M. Johnson, G. Levanas, "The Galileo Tape Recorder Rewind Operation Anomaly", NASA Conference Publication 3350, S. 231-248, 31st Aerospace Mechanisms Symposium, Huntsville, Alabama, 14.-16. Mai, 1997 http://hdl.handle.net/2060/19970021613

Die Verwendung eines Druckbehälters für die Elektronik ist selten. Ich kenne nur wenige Raumfahrzeuge, die das geschafft haben: Sputnik 1 , die Lunokhod-Rover und die Venera-Sonden.