Jednym z trudniejszych aspektów eksploracji kosmosu i projektowania statków kosmicznych jest ponowne wejście. Nawet w przypadku planet o słabej atmosferze, takich jak Mars, wiadomo, że wejście w atmosferę planety powoduje wiele ciepła i tarcia. Z tego powodu statek kosmiczny zawsze był wyposażony w osłony cieplne absorbujące tę energię i zapewniające, że statek kosmiczny nie rozbije się ani nie spali podczas ponownego wejścia.
Niestety, obecny statek kosmiczny musi polegać na ogromnych nadmuchiwanych lub mechanicznie rozmieszczonych tarczach, które często są ciężkie i skomplikowane w użyciu. Aby rozwiązać ten problem, doktorant z University of Manchester opracował prototyp osłony termicznej, która opierałaby się na siłach odśrodkowych w celu usztywnienia elastycznych, lekkich materiałów. Ten prototyp, który jest pierwszym tego rodzaju, może obniżyć koszty podróży kosmicznych i ułatwić przyszłe misje na Marsie.
Koncepcja została zaproponowana przez Rui Wu, doktoranta z Manchester School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Dołączyli do niego Peter C.E. Roberts i Carl Driver - starszy wykładowca inżynierii kosmicznej i wykładowca MACE - oraz Constantinos Soutis z The University of Manchester Aerospace Research Institute.
Mówiąc najprościej, planety z atmosferą umożliwiają statkom kosmicznym wykorzystanie oporu aerodynamicznego do spowolnienia w przygotowaniu do lądowania. Ten proces wytwarza ogromną ilość ciepła. W przypadku atmosfery ziemskiej generowane są temperatury 10 000 ° C (18 000 ° F), a powietrze wokół statku kosmicznego może zmienić się w plazmę. Z tego powodu statek kosmiczny wymaga zamontowanej z przodu osłony cieplnej, która może tolerować ekstremalne ciepło i ma aerodynamiczny kształt.
Podczas rozmieszczania na Marsie okoliczności są nieco inne, ale wyzwanie pozostaje takie samo. Podczas gdy marsjańska atmosfera jest mniejsza niż 1% atmosfery ziemskiej - przy średnim nacisku powierzchniowym wynoszącym 0,636 kPa w porównaniu z ziemskim 101,325 kPa - statek kosmiczny nadal wymaga osłon cieplnych, aby uniknąć wypalenia i przenosić duże obciążenia. Projekt Wu potencjalnie rozwiązuje oba te problemy.
Projekt prototypu, który składa się z osłony w kształcie spódnicy zaprojektowanej do obracania się, ma na celu stworzenie osłony cieplnej, która może zaspokoić potrzeby obecnych i przyszłych misji kosmicznych. Jak wyjaśnił Wu:
„Statek kosmiczny na przyszłe misje musi być większy i cięższy niż kiedykolwiek wcześniej, co oznacza, że osłony cieplne stają się coraz zbyt duże, aby zarządzać… Statek kosmiczny na przyszłe misje musi być większy i cięższy niż kiedykolwiek wcześniej, co oznacza, że osłony cieplne stają się coraz zbyt duże, aby nimi zarządzać . ”
Wu i jego koledzy opisali ich koncepcję w niedawnym badaniu, które ukazało się w czasopiśmieArca Astronautica (zatytułowanym „Elastyczne osłony cieplne rozmieszczone przez siłę odśrodkową”). Konstrukcja składa się z zaawansowanego, elastycznego materiału, który ma tolerancję na wysoką temperaturę i umożliwia łatwe składanie i przechowywanie na pokładzie statku kosmicznego. Materiał staje się sztywny, gdy osłona przykłada siłę odśrodkową, która jest osiągana przez obrót po wejściu.
Do tej pory Wu i jego zespół przeprowadzili test upuszczenia z prototypem z wysokości 100 m (328 stóp) za pomocą balonu (którego wideo zamieszczono poniżej). Przeprowadzili także strukturalną analizę dynamiczną, która potwierdziła, że osłona termiczna jest w stanie automatycznie zaangażować się w wystarczającą prędkość wirowania (6 obrotów na sekundę), gdy jest rozmieszczona z wysokości powyżej 30 km (18,64 mil) - co pokrywa się ze stratosferą Ziemi.
Zespół przeprowadził również analizę termiczną, która wykazała, że osłona termiczna może obniżyć temperaturę frontu o 100 K (100 ° C; 212 ° F) w pojeździe wielkości CubeSat bez potrzeby izolacji termicznej wokół samej osłony (w przeciwieństwie do konstrukcji nadmuchiwanych ). Konstrukcja jest również samoregulująca, co oznacza, że nie opiera się na dodatkowych maszynach, co jeszcze bardziej zmniejsza wagę statku kosmicznego.
I w przeciwieństwie do konwencjonalnych konstrukcji, ich prototyp jest skalowalny do użytku na mniejszych statkach kosmicznych, takich jak CubeSats. Dzięki wyposażeniu w taką tarczę CubeSats można odzyskać po ponownym wejściu do atmosfery ziemskiej, dzięki czemu można je ponownie wykorzystać. Wszystko to jest zgodne z obecnymi staraniami, aby eksploracja kosmosu i badania naukowe były opłacalne, częściowo poprzez opracowanie części wielokrotnego użytku i odzyskiwalnych. Jak wyjaśnił Wu:
„Coraz więcej badań jest prowadzonych w kosmosie, ale zwykle jest to bardzo kosztowne, a sprzęt musi dzielić jazdę z innymi pojazdami. Ponieważ ten prototyp jest lekki i wystarczająco elastyczny, aby można go było stosować na mniejszych satelitach, badania mogłyby być łatwiejsze i tańsze. Osłona termiczna pomogłaby również zaoszczędzić koszty w misjach odzyskiwania, ponieważ jej wysoki indukowany opór zmniejsza ilość paliwa spalanego przy ponownym wejściu. ”
Kiedy nadejdzie czas na rozmieszczenie cięższych statków kosmicznych na Marsie, co prawdopodobnie będzie wymagało misji załogowych, całkowicie możliwe jest, że osłony cieplne zapewniające bezpieczne dotarcie na powierzchnię składają się z lekkich, elastycznych materiałów, które obracają się, aby się usztywnić. W międzyczasie ta konstrukcja może umożliwić zastosowanie lekkich i kompaktowych systemów wejściowych dla mniejszych statków kosmicznych, dzięki czemu badania CubeSat będą znacznie tańsze.
Taka jest natura nowoczesnej eksploracji kosmosu, która polega na obniżaniu kosztów i zwiększaniu dostępności przestrzeni. Pamiętaj też o obejrzeniu tego filmu z testu upuszczenia zespołu, dzięki uprzejmości Rui Wui i zespołu MACE:
