Един от по-предизвикателните аспекти на изследването на космоса и проектирането на космически кораби е планирането за повторно влизане. Дори в случаите на тънко атмосферни планети като Марс е известно, че навлизането в атмосфера на планетата предизвиква много топлина и триене. Поради тази причина космическите кораби винаги са били оборудвани с топлинни екрани, за да поемат тази енергия и да гарантират, че космическият кораб не се срива или изгаря при повторно влизане.
За съжаление, настоящите космически кораби трябва да разчитат на огромни надуваеми или механично разположени щитове, които често са тежки и сложни за използване. За да се справи с това, докторант от Университета в Манчестър е разработил прототип за топлинен щит, който разчита на центробежни сили, за да втвърди гъвкави и леки материали. Този първообраз, който е първият по рода си, може да намали разходите за пътуване в Космоса и да улесни бъдещите мисии до Марс.
Концепцията беше предложена от Руй Ву, докторант от Манчестърската школа по машиностроене, космическо и строително строителство (MACE). Към него се присъединяват Питър К. Е. Робъртс и Карл Драйвър - старши преподавател по космически кораби и съответно преподавател в MACE - и Константинос Сутис от Университета в Манчестър за аерокосмически изследвания.
По-просто казано, планетите с атмосфера позволяват на космическите кораби да използват аеродинамичното влачене, за да се забавят при подготовката за кацане. Този процес създава огромно количество топлина. В случай на земна атмосфера се генерират температури от 10 000 ° C (18 000 ° F) и въздухът около космическия кораб може да се превърне в плазма. Поради тази причина космическите кораби изискват монтиран отпред топлинен щит, който може да понася екстремна топлина и има аеродинамична форма.
При разполагането на Марс обстоятелствата са малко по-различни, но предизвикателството остава същото. Докато марсианската атмосфера е под 1% от тази на Земята - със средно повърхностно налягане от 0,636 kPa в сравнение с 101,325 kPa на Земята, космическите кораби все още се нуждаят от топлинни екрани, за да избегнат изгаряне и да пренасят тежки товари. Дизайнът потенциално решава и двата проблема.
Дизайнът на прототипа, който се състои от щит във формата на пола, предназначен да се върти, се стреми да създаде топлинен щит, който да удовлетвори нуждите на настоящите и бъдещите космически мисии. Както Ву обясни:
„Космическият апарат за бъдещи мисии трябва да бъде по-голям и по-тежък от всякога, което означава, че топлинните щитове ще стават все по-големи за управление ... Космическият апарат за бъдещите мисии трябва да бъде по-голям и по-тежък от всякога, което означава, че топлинните екрани ще стават все по-големи, за да се управляват . "
Ву и неговите колеги описаха тяхната концепция в скорошно проучване, което се появи в списаниетоArca Astronautica (озаглавен „Гъвкави топлинни екрани, разположени чрез центробежна сила“). Дизайнът се състои от усъвършенстван, гъвкав материал, който има толеранс на висока температура и позволява лесно сгъване и съхранение на борда на космически кораб. Материалът става твърд, тъй като щитът прилага центробежна сила, което се осъществява чрез въртене при влизане.
Досега Ву и неговият екип са провели тест на падане с прототипа от надморска височина от 100 м с помощта на балон (видеоклипът на който е публикуван по-долу). Те също така проведоха структурен динамичен анализ, който потвърди, че топлинният щит е в състояние автоматично да се включи с достатъчна скорост на въртене (6 оборота в секунда), когато се разполага от надморска височина над 30 km (18,64 мили) - което съвпада със земната стратосфера.
Екипът също така проведе термичен анализ, който показа, че топлинният щит може да намали температурата на предния край със 100 K (100 ° C; 212 ° F) на автомобил с размери CubeSat, без да е необходима топлоизолация около самия щит (за разлика от надуваемите конструкции ). Дизайнът също е саморегулиращ се, което означава, че не разчита на допълнителни машини, което още повече намалява теглото на космически кораб.
И за разлика от конвенционалните дизайни, техният прототип е мащабируем за използване на борда на по-малки космически кораби като CubeSats. Като бъде оборудван с такъв щит, CubeSats може да бъде възстановен, след като влязат отново в земната атмосфера, като на практика станат за многократна употреба. Всичко това е в съответствие с настоящите усилия за космическо проучване и проучване на разходите, отчасти чрез разработването на части за многократна употреба и изтегляне. Както Ву обясни:
„Все повече и повече изследвания се провеждат в космоса, но това обикновено е много скъпо и оборудването трябва да сподели с други превозни средства. Тъй като този прототип е достатъчно лек и гъвкав за използване на по-малки спътници, изследванията могат да бъдат улеснени и по-евтини. Топлинният щит също ще помогне да се спестят разходи при мисии за възстановяване, тъй като неговото силно индуцирано съпротивление намалява количеството гориво, изгорено при повторно влизане. "
Когато дойде време на Марс да бъдат разположени по-тежки космически кораби, които вероятно ще включват екипирани мисии, е напълно възможно топлинните екрани, които гарантират, че го правят безопасно на повърхността, да са съставени от леки, гъвкави материали, които се въртят, за да станат твърди. Междувременно този дизайн може да позволи леки и компактни системи за влизане на по-малки космически кораби, което прави изследванията на CubeSat много по-достъпни.
Такова е естеството на съвременното изследване на космоса, което е свързано с намаляване на разходите и правене на пространството по-достъпно. Не забравяйте да проверите и това видео от отпадащия тест на екипа, с любезното съдействие на Руй Уи и екипа на MACE:
