¿Los componentes electrónicos y mecánicos funcionan en vacío o requieren una atmósfera controlada sellada?

En términos generales, todos los recipientes "herméticos" tienen pequeñas fugas. En la Tierra esto se manifiesta como una incapacidad para mantener un vacío indefinidamente; en el espacio, se manifiesta como una incapacidad para mantener una atmósfera indefinidamente sin una fuente de gases de reposición (que a su vez se van a filtrar con el tiempo, por lo que en realidad solo estás retrasando lo inevitable). Si colocara un sensor de presión perfecto en cualquiera de los dos, su valor se acercaría gradualmente al del entorno ambiental fuera del recipiente a presión. La tasa de fuga se puede hacer lo suficientemente pequeña como para considerarla insignificante o al menos intrascendente durante la misión principal prevista de la nave espacial, pero aún así no será cero.

Como consecuencia, para las naves espaciales que están diseñadas para operar en el espacio durante muchos años o décadas, tiene sentido minimizar la cantidad de piezas que necesitan operar en una atmósfera. Al minimizar el volumen (y la presión) del recipiente a presión, con una masa idéntica, se puede reducir la tasa de fuga. La máxima reducción del volumen del recipiente a presión es eliminar el recipiente a presión por completo, dejando todo expuesto al vacío del espacio.

Por lo tanto, cualquier cosa que no tenga que operar realmente dentro de una atmósfera sería aprobada para operar en el vacío, y probablemente estaría expuesta a ella simplemente porque facilita las cosas. Una consecuencia de esto son las dificultades para deshacerse del calor residual; en el vacío, ¡no puede hacer funcionar exactamente un ventilador de refrigeración y terminar!

En cuanto a sus ejemplos específicos:

la grabadora Voyager o Galileo trabajando en el vacío sin horribles problemas de fricción estática

Realmente no veo cómo se sigue eso, incluso si el equipo común que se usa en el suelo tendría esos problemas (que no estoy seguro de que sea un hecho). Los materiales se pueden elegir para que tengan las propiedades deseadas en el vacío; no es como si una nave espacial se ensamblara de cualquier manera utilizando piezas listas para usar sin pensar en cómo se comportará en el entorno nativo de la nave espacial.

Los discos duros no funcionarían en absoluto

En primer lugar, los discos duros no son realmente adecuados para las naves espaciales debido a las vibraciones, especialmente durante el lanzamiento, y su dependencia de piezas móviles intrincadas. Es posible hacer un disco duro que no dependa de la turbulencia del aire para mantener el cabezal de lectura/escritura a la altura adecuada sobre el plato, pero eso no resuelve ninguno de los otros problemas que tendrían los discos duros en los vuelos espaciales.

muchos instrumentos que funcionan de manera completamente confiable en la atmósfera de la Tierra y de repente se encuentran en el vacío

No hay nada repentino en una nave espacial en absoluto. Diseñar y lanzar una nave espacial razonablemente grande y compleja cuesta fácilmente entre cientos de millones y miles de millones de dólares. Teniendo en cuenta tales costos básicos, una prima de varios millones para las piezas con clasificación de vacío y las pruebas sólidas es fácilmente justificable si significa la diferencia entre que la nave espacial tal vez complete su misión principal con éxito o que muy probablemente complete su misión principal con éxito.

En todo caso, sospecho que es más difícil para los diseñadores de naves espaciales que necesitan trabajar tanto en una atmósfera como en el vacío del espacio.

La mayoría de las naves espaciales modernas tienen su trabajo electrónico en un estado de vacío, al menos la mayoría de ellas. En particular, las cosas con partes móviles, como las ruedas de reacción, pueden requerir algo de atmósfera. Estos pequeños componentes son los únicos componentes que están sellados, todos los demás están abiertos al vacío del espacio. Las primeras naves espaciales no fueron diseñadas como tales.

En realidad, no puedo encontrar qué componentes de la Voyager están sellados al vacío, pero si hay partes, no hay muchas.

Realizan pruebas de vacío en la Tierra para asegurarse de que no haya problemas. Esto a menudo se conoce como la prueba T-VAC, o vacío térmico, donde aspiran una cámara de todo el aire y prueban la nave espacial con diferentes ciclos térmicos.

Los cojinetes mecánicos son un problema en el vacío del espacio. La grasa se vaporizará. Si las capas delgadas de óxido en la superficie de las piezas metálicas se eliminan por fricción, es posible soldar en frío esas piezas.

Esto es un poco tangente, pero la nave espacial tripulada Voskhod tenía una cámara electrónica presurizada. Se utilizaban tubos de vacío y se enfriaban con soplado de aire. Supongo que este aire también debe haber pasado por un disipador de calor o algo así. No estoy seguro de cómo funcionó.

Aprecio toda la discusión sobre esto. Para intentar resumir:

1. La electrónica actual está diseñada para funcionar en el vacío. Todavía es posible que haya algunas situaciones en las que sea deseable sellar los componentes electrónicos para reducir la emisión de gases que podría afectar a algún sensor sensible. Me imagino que los telescopios espaciales podrían querer sellar sus componentes electrónicos, aunque quizás con un pequeño respiro, un laberinto y un filtro.

2. En los cojinetes, parece que hay aceites y grasas diseñados para su uso en operaciones de vacío abierto en un rango razonable de temperaturas. En general, sellar una unidad como una rueda de reacción parece una buena idea para limitar la evaporación del lubricante. No está claro por qué es necesario introducir gas en la unidad. Hay algunos comentarios en: https://www.grc.nasa.gov/WWW/spacemech/vol1.html que dicen, por ejemplo, "Nye 179 se consideró la mejor opción para esta aplicación. Su rendimiento en el vacío fue mucho mejor que el del SRG-40, y su rendimiento en helio fue el mejor de todos los aceites probados [Kalegoras] Se determinó que el uso de oxígeno como componente del gas de llenado de las ruedas de reacción era innecesario y, en general, perjudicial para la vida útil del rodamiento. lubricante. [Kalegoras]"

3. Una cosa que descubrí definitivamente es que las grabadoras siempre están selladas. Se ha trabajado mucho en esto. La cinta requiere una humedad controlada idealmente en el rango de 30-50%. Por debajo de este rango, se producen descargas electrostáticas y desgaste de la cabeza. Por encima de este rango, la hidrólisis del aglutinante plástico hace que se acumulen depósitos pegajosos y "manchas marrones" en la cabeza. La grabadora Galileo está sellada en una atmósfera de nitrógeno/helio con la humedad adecuada. Hay un excelente artículo detallado: M. Johnson, G. Levanas, "The Galileo Tape Recorder Rewind Operation Anomaly", NASA Conference Publication 3350, pp. 231-248, 31st Aerospace Mechanisms Symposium, Huntsville, Alabama, 14-16 de mayo, 1997 http://hdl.handle.net/2060/19970021613

El uso de un recipiente a presión para la electrónica es raro. Solo conozco unas pocas naves espaciales que lo hicieron: Sputnik 1 , los rovers Lunokhod y las sondas Venera.