Gorące obrazy promu kosmicznego

Naukowcy z NASA używają nowatorskiego systemu obrazowania termicznego na pokładzie samolotu marynarki wojennej, aby rejestrować obrazy wzorców ciepła, które oświetlają powierzchnię wahadłowca kosmicznego powracającego przez ziemską atmosferę. Do tej pory naukowcy wykonali zdjęcia trzech misji wahadłowca i przetwarzają dane, aby stworzyć trójwymiarowe mapy temperatury powierzchni. Dane umożliwią inżynierom zaprojektowanie systemów chroniących przyszłe statki kosmiczne przed palącym ciepłem – do 5500 stopni Celsjusza – obserwowanym podczas wejścia w powietrze.

Gorące ciało: Te obrazy termiczne zostały wykonane z promu kosmicznego Odkrycie 11 września. Dane dotyczące temperatury posłużyły do ​​wykonania kolorowych obrazów (środek i dół), przy czym kolor niebieski to najniższa temperatura, a czerwony najwyższa.

Chcemy zrozumieć temperatury szczytowe, kiedy występują i gdzie, ponieważ to determinuje rodzaj materiału i rozmiar systemu ochrony, mówi Thomas Horvath, główny badacz projektu o nazwie Hypersonic Thermodynamic InfraRed Measurements (HYTHIRM), na Centrum Badawcze Langley w Hampton, Wirginia.

NASA zaczęła bardziej interesować się bezpieczeństwem i opracowywaniem narzędzi do kontroli i ochrony wahadłowca od czasu promu kosmicznego w 2003 r. Kolumbia katastrofa, kiedy uszkodzenie skrzydła wahadłowca naruszyło jego odporną na ciepło osłonę, powodując utratę integralności strukturalnej i rozpad podczas powrotu, zabijając wszystkich siedmiu astronautów na pokładzie. Horvath, także członek zespołu wsparcia Rada ds. Badania Wypadków w Kolumbii (CAIB), mówi, że projekt HYTHIRM został opracowany w odpowiedzi na Kolumbia wypadek.

Z pewnością myślę, że [naukowcy] mogą dowiedzieć się czegoś o tym, co powoduje ogrzewanie, mówi Douglas Osheroff , profesor fizyki i fizyki stosowanej na Uniwersytecie Stanforda oraz członek CAIB. Dodaje, że obrazy termowizyjne można by również wykorzystać jako narzędzie diagnostyczne do sprawdzania integralności płytek wahadłowca podczas powrotu. Obecnie inżynierowie muszą ręcznie sprawdzać płytki po powrocie promu.

Do zobrazowania wahadłowca naukowcy wykorzystali nowatorski system optyczny o nazwie Cast Glance na pokładzie samolotu Navy P-3 Orion. System jest używany głównie przez Departament Obrony do misji obrony przeciwrakietowej i musiał zostać nieco zmodyfikowany dla projektu NASA. Naukowcy z Marynarki Wojennej dodali gotową kamerę wideo o wysokiej rozdzielczości i dostosowali ją do filtrowania światła podczerwonego. Następnie skalibrowali czujniki optyczne Cast Glance, aby mierząc promieniowanie podczerwone z promu, mogli obliczyć temperaturę powierzchni.

Samolot Marynarki Wojennej leci na odległość 37 kilometrów od promu kosmicznego, gdy ten porusza się z prędkością od dwóch do trzech mil na sekundę, pozyskując nieprzerwanie osiem minut danych: około 10 000 do 15 000 zdjęć na każdą misję.

Badacze skupili się na podbrzuszu wahadłowca, który jest pokryty około 10 000 płyt termoochronnych. Najwyższe obszary grzewcze, w pobliżu nosa i wzdłuż krawędzi natarcia każdego skrzydła, są wykonane z materiału zwanego wzmocnionym węglem (RCC). Gdy wahadłowiec wypycha z drogi cząsteczki powietrza, mówi Deborah Tomek, kierownik projektu HYTHIRM, wokół promu tworzy się warstwa graniczna lub obszar ochronny, podobny do izolacji, gdzie temperatury wahają się od 1093 do 1649 stopni Celsjusza. Tuż za tą warstwą graniczną temperatury mogą wzrosnąć do 5500 stopni.

Jakiekolwiek uszkodzenie płytek lub występ lub wybrzuszenie na podbrzuszu wahadłowca może spowodować przerwanie warstwy granicznej i doprowadzić do ekstremalnego ciepła. Szczególnie niepokojące są wypełniacze szczelin, kawałki tkaniny pokrytej ceramiką o grubości arkusza papieru, które wpasowują się między płytki, aby zapewnić poduszkę, która są znane z tego, że wystają . (NASA twierdzi jednak, że wypełniacze nie budzą obaw o bezpieczeństwo.)

Badacze Langley wykonali zdjęcia trzech misji wahadłowca: Odkrycie 28 marca ( STS-119 ); Atlantyda 24 maja ( STS-125 ); oraz Odkrycie ponownie 11 września ( STS-128 ). Przeprowadzili również dwa małe eksperymenty lotnicze. Dodaliśmy mały guzek do Odkrycie ”skrzydła, około ćwierć cala, aby lepiej zrozumieć, co nazywa się przejściem warstwy granicznej lub podróżą w polach przepływu” – mówi Tomek. Naukowcy pokryli również dwie z płytek materiałem, który jest opracowywany na osłonę termiczną pojazdu do eksploracji załogi Oriona.

Naukowcy dopiero zaczynają przetwarzać wszystkie zebrane dane na trójwymiarowe mapy temperatury powierzchni, które będą porównywać z pomiarami z czujników termicznych na podbrzuszu wahadłowca oraz z obliczeniowymi modelami dynamiki płynów. Horvath mówi, że przedstawią swoje wyniki na konferencji w styczniu 2010 roku.

Jednak naukowcy zauważyli już pewne nieoczekiwane wyniki. Mała niedoskonałość, prawdopodobnie tak mała jak jedna dziesiąta cala, po przeciwnej stronie w stosunku do wypukłości celowo umieszczonej Odkrycie Skrzydło wytworzyło wysokie temperatury na znacznie większym obszarze niż to, co zwykle widzisz, mówi Horvath.

Osheroff mówi, że jest zainteresowany sprawdzeniem, czy analiza znajdzie różne wyniki dla różnych orbiterów. Na przykład, Kolumbia był pierwszym zbudowanym wahadłowcem i jest o 20 000 funtów cięższy niż inne orbitery. Schematy nagrzewania zależą od nastawienia lub orientacji orbitera podczas powrotu, więc korzystne byłoby przeprowadzenie testów dla co najmniej dwóch lotów każdego orbitera.

Pozostało tylko sześć lotów wahadłowców kosmicznych, zanim orbitery mają przejść na emeryturę. Horvath mówi, że naukowcy mają nadzieję, że będą mogli kontynuować obrazowanie pozostałych misji, ale ostateczna akceptacja wciąż czeka. Nasza zdolność do dokładnego przewidywania danych termicznych będzie miała ogromny wpływ na projekty nowych pojazdów, mówi.

ukryć