NASA testuje możliwości materiałów przeznaczonych dla osłon termicznych

1

Inżynierowie NASA przygotowują się do przeprowadzenia testów nowych materiałów, mających w przyszłości chronić pojazdy kosmiczne przed wysoką temperaturą w trakcie deceleracji atmosferycznej.

Zespół naukowców NASA pracuje nad potencjalnym zastosowaniem nowych materiałów nazywanych C-PICA (Conformal PICA) oraz C-SIRCA (Conformal SIRCA). Oba rozwiązania powinny umożliwić skuteczne zabezpieczenie pojazdów kosmicznych przeznaczonych do lądowania na obiektach posiadających atmosferę, takich jak Ziemia, Mars, Wenus czy Tytan, przed działaniem wysokiej temperatury.

Materiały ablacyjne – skuteczna ochrona?

Idea zastosowania materiałów ablacyjnych w celu ochrony pojazdów kosmicznych nie jest nowa i jej początki sięgają wczesnych koncepcji międzykontynentalnych pocisków balistycznych, gdy prędkość z jaką poruszały się głowice bojowe podczas ponownego wejścia w atmosferę wymusiła zastosowanie pewnej i lekkiej osłony termicznej, chroniącej ładunek bojowy przed zniszczeniem. Materiały stosowane do zabezpieczania tych pocisków stanowiły naturalny punkt wyjścia dla rodzącego się pod koniec lat 50-tych, załogowego programu kosmicznego. Materiały ablacyjne znalazły zastosowanie w kapsułach Merkury i następnie były doskonalone by umożliwić bezpieczny powrót załóg z lotów księżycowych Apollo, stanowiących szczególne wyzwanie dla osłon termicznych z powodu znacznie wyższej prędkości wejścia w atmosferę.

Materiały PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) są obecnie stosowane jako ablacyjne osłony termiczne pojazdów kosmicznych, w tym także pojazdu Dragon, należącego do firmy SpaceX i z powodzeniem wykorzystywanego do sprowadzania ładunków z niskiej orbity okołoziemskiej. Jest to sprawdzona metoda budowy lekkich powłok ochronnych, w których ablacja materiału umożliwia przetrwanie chronionego obiektu w trakcie wytracania energii w wyniku hamowania atmosferycznego. Natomiast materiał SIRCA (Silicone Impreganted Reusable Ceramic Ablator) stanowi osłonę termiczną, która do tej pory nie była wykorzystywana w roli pełnoprawnej osłony ablacyjnej, jednakże materiały tego typu były montowane już w misjach kosmicznych lądowników, jako zabezpieczenie rejonów mniej narażonych na oddziaływanie wysokiej temperatury. Przewagą materiału SIRCA jest jego jednorodna struktura, która umożliwia jego obrabianie w sposób maszynowy, dzięki czemu możliwe jest tworzenie elementów o dowolnym kształcie i następnie ich montaż na pojeździe kosmicznym bez konieczności jego dalszej obróbki w celu przygotowania do lotu (jak miało to miejsce w przypadku płytek ceramicznych wahadłowca, które pokrywano dodatkowym materiałem borokrzemowym).

Próbki proponowanych materiałów zostały już przebadane laboratoryjnie w testach naziemnych. Kolejnym krokiem jest ich przetestowanie w małej skali, lecz w środowisku pełnoprawnej misji kosmicznej.

Testy w przestrzeni kosmicznej

Z tego względu NASA zdecydowała się zlecić budowę niewielkich pojazdów kosmicznych, które zostały wyniesione w przestrzeń kosmiczną za pomocą rakiety Atlas 5 i obecnie są połączone z pojazdem Orbital ATK Cygnus, który 22 kwietnia bezpiecznie zacumował do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Misja testowa zakłada, że te niewielkie pojazdy-kapsuły o średnicy około 20 centymetrów odłączą się od pojazdu macierzystego w trakcie jego powrotu w atmosferę (planowanego na czerwiec) i następnie będą rejestrować zmiany temperatury w swoim otoczeniu, w celu określenia efektywności zastosowanych osłon.

Zaprojektowane urządzenia posiadają bardzo prostą budowę – zawierają w sobie jedynie element strukturalny, pokryty materiałem osłony termicznej oraz posiadający sieć wbudowanych sensorów temperatury. Pozostałe elementy zapewniają jedynie wymagane zasilanie oraz komunikację – co ciekawe, informacje wysyłane przez sondy będą przekazywane przez satelity sieci Iridium. Urządzenia zostały zaprojektowane i zbudowane przez firmę Terminal Velocity Aerospace (TVA), specjalizującą się w budowie małych urządzeń zdolnych do poruszania się z prędkościami kosmicznymi.

W ramach testu powstały trzy sondy, każda zabezpieczona innym rodzajem materiału ochronnego – pierwsza nowymi powłokami C-PICA/C-SIRCA, druga z materiałem identycznym z mającymi znaleźć zastosowanie w osłonach termicznych pojazdów Orion oraz trzecia, posiadająca osłonę termiczną taką samą jak nie używane już wahadłowce, przy czym ostatnia powłoka pełni rolę referencyjną dla pierwszych dwóch.

Po przejściu przez atmosferę urządzenia zakończą swój lot uderzając w powierzchnię oceanu. Misja nie zakłada ich odzyskania.

(NASA)

Share.

1 komentarz