Один из наиболее сложных аспектов исследования космоса и разработки космических аппаратов – это вход в плотные слои атмосферы. Известно, что даже в случае планет с тонкой атмосферой, таких как Марс, прохождение через неё вызывает большое тепловыделение и трение. По этой причине, космические аппараты всегда оснащаются теплозащитными экранами для поглощения энергии и предотвращения падения и сгорания аппарата при входе в плотные слои атмосферы.
К сожалению, на данный момент космический аппарат должен использовать огромные надувные или разворачиваемые теплозащитные экраны, которые тяжелы и сложны в использовании. Для решения этой проблемы аспирант Манчестерского университета Руи Ву разработал прототип теплозащитного экрана, который будет использовать центробежные силы для укрепления гибких, лёгких материалов. Этот прототип является первым в своем роде. Он может снизить стоимость космических полётов и облегчить будущие миссии на Марс.
Планеты с атмосферой позволяют космическому аппарату использовать аэродинамическое сопротивление для замедления во время подготовки к посадке. Во время этого процесса выделяется огромное количество тепла. При входе в земную атмосферу образуются температуры в 10 000 °C, и воздух вокруг космического аппарата может превращаться в плазму. По этой причине на передней панели космического аппарата нужен теплозащитный экран, который может выдерживать экстремальные температуры и имеет аэродинамическую форму.
При посадке на Марс обстоятельства несколько отличаются, но проблема остаётся прежней. Несмотря на то, что атмосфера Марса составляет менее 1% от земной (со средним поверхностным давлением 0,636 кПа по сравнению с земными 101,325 кПа), для избежания сгорания и надёжной перевозки тяжёлых грузов по-прежнему требуются теплозащитные экраны. Прототип Ву потенциально решает обе эти проблемы.
Конструкция состоит из щита в форме юбки и предназначена для вращения. Она изготовлена из современного гибкого материала, который имеет высокую термостойкость и позволяет легко размещать и хранить грузы на борту космического аппарата. Материал становится жёстким, когда щит применяет центробежную силу, которая достигается вращением при входе в атмосферу.
К настоящему моменту Ву и его команда провели тестовый сброс прототипа с высоты 100 м, используя воздушный шар. Анализ прочности конструкции подтвердил возможность теплозащитного экрана автоматически набирать необходимую для разворачивания скорость вращения (6 оборотов в секунду) при отделении на высоте более 30 км, соответствующей стратосфере Земли.
Команда провела тепловой анализ, который показал, что теплозащитный экран может уменьшать температуру передней части аппарата размером с кубсат на 100°C без необходимости теплоизоляции вокруг самого экрана (в отличие от надувных конструкций). Конструкция также саморегулируется, что означает, что она не использует дополнительное оборудование. Это ещё больше уменьшает массу аппарата.
В отличие от обычных конструкций, данный прототип соизмерим с малыми аппаратами, такими как кубсат. При оснащении таким щитом, кубсат можно восстанавливать после входа в атмосферу Земли и затем использовать повторно. Все это направлено на то, чтобы сделать исследование космоса экономически эффективным, частично благодаря разработке многоразовых и съёмных деталей. Как объяснил Ву:
«Все больше исследований проводится в космосе, но это, как правило, очень дорого, и оборудование приходится перевозить с другими аппаратами. Поскольку этот прототип лёгкий и достаточно гибкий для использования на небольших спутниках, исследования могут стать проще и дешевле. Теплозащитный экран также помог бы сэкономить затраты на возвращаемые миссии, поскольку его высокое индуктивное сопротивление уменьшает количество топлива, сжигаемого при входе в атмосферу».
Когда придёт время для спуска более тяжёлых космических аппаратов на Марс, (которые, скорее всего, будут пилотируемыми), вполне возможно, что теплозащитные экраны, обеспечивающие безопасный спуск до самой поверхности, будут состоять из лёгких гибких материалов, при вращении становящихся жёсткими. В то же время, эта конструкция может обеспечить лёгкие и компактные системы входа в атмосферу для меньших космических аппаратов.
Такова природа современного освоения космоса, которая ищет пути сокращения расходов, делая космос более доступным.
Источник: universetoday.com
Перевод: Ольга Шатерникова