En av de mer utmanande aspekterna av rymdutforskning och rymdskepp design är planering för återinträde. Även när det gäller tunt atmosfäriska planeter som Mars är det känt att komma in i en planetens atmosfär för att orsaka en hel del värme och friktion. Av denna anledning har rymdfarkoster alltid utrustats med värmesköldar för att absorbera denna energi och säkerställa att rymdskeppet inte kraschar eller brinner upp vid återinträde.
Tyvärr måste nuvarande rymdfarkoster förlita sig på enorma uppblåsbara eller mekaniskt utplacerade sköldar, som ofta är tunga och komplicerade att använda. För att hantera detta har en doktorand från University of Manchester utvecklat en prototyp för en värmesköld som skulle förlita sig på centrifugalkrafter för att förstyva flexibla, lätta material. Denna prototyp, som är den första i sitt slag, kan minska kostnaden för rymdresor och underlätta framtida uppdrag till Mars.
Konceptet föreslogs av Rui Wu, en doktorand från Manchester's School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Han förenades av Peter C.E. Roberts och Carl Driver - universitetslektor i rymdteknik och lektor vid MACE respektive - och Constantinos Soutis från University of Manchester Aerospace Research Institute.
För att uttrycka det enkelt, tillåter planeter med atmosfär rymdskepp att använda aerodynamisk drag för att bromsa ner som förberedelse för landning. Denna process skapar en enorm mängd värme. När det gäller jordens atmosfär genereras temperaturer på 10 000 ° C (18 000 ° F) och luften runt rymdskeppet kan förvandlas till plasma. Av denna anledning kräver rymdfarkoster en frontmonterad värmesköld som tål extrem värme och är aerodynamisk i form.
Vid utplacering till Mars är omständigheterna något annorlunda, men utmaningen förblir densamma. Medan den Martiska atmosfären är mindre än 1% av jordens - med ett genomsnittligt yttryck på 0,636 kPa jämfört med jordens 101,325 kPa - behöver rymdfarkoster fortfarande värmesköldar för att undvika utbränning och bära tunga belastningar. Wues design löser potentiellt båda dessa problem.
Prototypens design, som består av en kjolformad sköld utformad för att snurra, syftar till att skapa en värmesköld som kan tillgodose behoven hos nuvarande och framtida rymduppdrag. Som Wu förklarade:
”Rymdfarkoster för framtida uppdrag måste vara större och tyngre än någonsin tidigare, vilket innebär att värmesköldar blir alltför stora för att hantera ... Rymdfarkoster för framtida uppdrag måste vara större och tyngre än någonsin tidigare, vilket innebär att värmesköldar blir alltför stora för att hantera ”.
Wu och hans kollegor beskrev sitt koncept i en ny studie som dök upp i tidskriftenArca Astronautica (med titeln "Flexibla värmesköldar utplacerade av centrifugalkraft"). Konstruktionen består av ett avancerat, flexibelt material som har en hög temperaturtolerans och möjliggör enkel fällning och förvaring ombord på ett rymdskepp. Materialet blir styvt när skärmen applicerar centrifugalkraft, vilket åstadkommes genom att rotera vid inträde.
Hittills har Wu och hans team genomfört ett dropptest med prototypen från en höjd av 100 m (328 ft) med hjälp av en ballong (videon som är postad nedan). De genomförde också en strukturell dynamisk analys som bekräftade att värmeskölden automatiskt kan agera i en tillräcklig rotationshastighet (6 varv per sekund) när den distribueras från höjder över 30 km (18,64 mi) - vilket sammanfaller med jordens stratosfär.
Teamet genomförde också en termisk analys som indikerade att värmeskölden kunde sänka frontendtemperaturerna med 100 K (100 ° C; 212 ° F) på ett CubeSat-fordon utan behov av värmeisolering runt själva skölden (till skillnad från uppblåsbara strukturer ). Konstruktionen är också självreglerande, vilket innebär att den inte förlitar sig på ytterligare maskiner, vilket minskar vikten på ett rymdskepp ytterligare.
Och till skillnad från konventionella mönster är deras prototyp skalbar för användning ombord på mindre rymdskepp som CubeSats. Genom att vara utrustad med en sådan sköld, kunde CubeSats återvinnas efter att de åter kommit in i jordens atmosfär och effektivt återanvändes. Detta överensstämmer med nuvarande ansträngningar för att göra rymdutforskning och forskning kostnadseffektiva, delvis genom utveckling av återanvändbara och återvinningsbara delar. Som Wu förklarade:
”Mer och mer forskning bedrivs i rymden, men det är vanligtvis mycket dyrt och utrustningen måste dela en tur med andra fordon. Eftersom denna prototyp är lätt och flexibel nog för användning på mindre satelliter, kan forskning göras enklare och billigare. Värmeskölden skulle också hjälpa till att spara kostnader i återhämtningsuppdrag, eftersom dess höginducerade släp minskar mängden bränsle som bränns vid återinträde. ”
När det är dags att tyngre rymdfarkoster sänds ut till Mars, vilket troligtvis kommer att involvera besättningsuppdrag, är det helt möjligt att värmesköldarna som säkerställer att de kommer säkert till ytan består av lätta, flexibla material som snurrar för att bli styva. Under tiden kan denna design möjliggöra lätta och kompakta inträdessystem för mindre rymdskepp, vilket gör CubeSat-forskning så mycket mer överkomligt.
Sådant är den moderna rymdutforskningen, som handlar om att sänka kostnaderna och göra utrymmet mer tillgängligt. Och se till att kolla in den här videon från teamets dropptest också, med tillstånd av Rui Wui och MACE-teamet:
