Одним из наиболее сложных аспектов освоения космоса и проектирования космических аппаратов является планирование повторного входа. Известно, что даже в случае планет с тонкой атмосферой, таких как Марс, попадание в атмосферу планеты вызывает большое количество тепла и трения. По этой причине космические корабли всегда были оснащены тепловыми экранами для поглощения этой энергии и обеспечения того, чтобы космический корабль не падал и не сгорал во время повторного входа.
К сожалению, современные космические корабли должны опираться на огромные надувные или механически развернутые щиты, которые часто бывают тяжелыми и сложными в использовании. Чтобы решить эту проблему, аспирант из Университета Манчестера разработал прототип теплозащитного экрана, который будет опираться на центробежные силы для придания жесткости гибким, легким материалам. Этот прототип, который является первым в своем роде, может снизить стоимость космических путешествий и облегчить будущие полеты на Марс.
Концепция была предложена Руи Ву, аспирантом Манчестерской школы механического, аэрокосмического и гражданского строительства (MACE). К нему присоединились Питер С.Э. Робертс и Карл Драйвер - старший преподаватель по космической технике и преподаватель в MACE соответственно - и Константинос Сутис из Института аэрокосмических исследований Манчестерского университета.
Проще говоря, планеты с атмосферой позволяют космическому кораблю использовать аэродинамическое сопротивление, чтобы замедлить подготовку к приземлению. Этот процесс создает огромное количество тепла. В случае земной атмосферы температура составляет 10000 ° C (18000 ° F), и воздух вокруг космического корабля может превращаться в плазму. По этой причине космическим кораблям необходим установленный на передней панели теплозащитный экран, который выдерживает экстремальные тепловые нагрузки и имеет аэродинамическую форму.
При развертывании на Марс обстоятельства несколько иные, но проблема остается той же. В то время как атмосфера Марса составляет менее 1% от атмосферы Земли - при среднем поверхностном давлении 0,636 кПа по сравнению с 101,325 кПа Земли - космическим кораблям все еще требуются тепловые экраны, чтобы избежать выгорания и нести тяжелые нагрузки. Дизайн Ву потенциально решает обе эти проблемы.
Конструкция прототипа, состоящая из юбки в форме щита, предназначенного для вращения, призвана создать теплозащитный экран, способный удовлетворить потребности текущих и будущих космических миссий. Как объяснил Ву:
«Космические корабли для будущих миссий должны быть больше и тяжелее, чем когда-либо прежде, а это означает, что тепловые щиты будут становиться все более и более большими, чтобы ими управлять ... Космические корабли для будущих миссий должны быть больше и тяжелее, чем когда-либо прежде, а это означает, что тепловые щиты будут становиться слишком большими, чтобы ими управлять «.
Ву и его коллеги описали свою концепцию в недавнем исследовании, которое появилось в журналеArca Astronautica (озаглавленный «Гибкие тепловые экраны, развернутые центробежной силой»). Конструкция состоит из усовершенствованного гибкого материала, который обладает высокой температурной стойкостью и позволяет легко складывать и хранить на борту космического корабля. Материал становится жестким, поскольку на экран действует центробежная сила, которая достигается вращением при входе.
До настоящего времени Ву и его команда провели испытание на падение с прототипом с высоты 100 м (328 футов) с использованием воздушного шара (видео о котором размещено ниже). Они также провели структурный динамический анализ, который подтвердил, что тепловой экран способен автоматически включаться с достаточной скоростью вращения (6 оборотов в секунду) при развертывании с высоты более 30 км (18,64 миль), что совпадает со стратосферой Земли.
Команда также провела термический анализ, который показал, что теплозащитный экран может снизить температуру переднего конца на 100 K (100 ° C; 212 ° F) на автомобиле размером с CubeSat без необходимости теплоизоляции вокруг самого экрана (в отличие от надувных конструкций). ). Конструкция также является саморегулируемой, то есть она не зависит от дополнительного оборудования, что еще больше снижает вес космического корабля.
И в отличие от традиционных конструкций, их прототип является масштабируемым для использования на борту небольших космических аппаратов, таких как CubeSats. Обладая таким щитом, CubeSats можно было бы восстановить после того, как они вновь войдут в атмосферу Земли, фактически становясь многоразовыми. Это все в соответствии с текущими усилиями, направленными на то, чтобы сделать исследование космоса и исследования рентабельными, в частности, путем разработки повторно используемых и извлекаемых деталей. Как объяснил Ву:
«В космосе проводится все больше и больше исследований, но это обычно очень дорого, и этому оборудованию приходится ездить на других транспортных средствах. Поскольку этот прототип является легким и достаточно гибким для использования на небольших спутниках, исследования можно было бы сделать проще и дешевле. Тепловой экран также поможет сэкономить на миссиях по восстановлению, поскольку его высокое индуктивное сопротивление уменьшает количество топлива, сжигаемого при повторном входе »
Когда приходит время развертывания более тяжелых космических кораблей на Марсе, что, вероятно, потребует выполнения миссий с экипажем, вполне возможно, что теплозащитные экраны, обеспечивающие их безопасное попадание на поверхность, состоят из легких, гибких материалов, которые вращаются и становятся жесткими. Между тем, эта конструкция могла бы обеспечить легкие и компактные системы входа для небольших космических аппаратов, что сделало исследования CubeSat гораздо более доступными.
Такова природа современных исследований космоса, которые сводятся к сокращению затрат и повышению доступности космоса. И обязательно посмотрите это видео из теста на падение команды, любезно предоставленного Rui Wui и командой MACE:
