Inżynierowie NASA starają się zbudować lepszą osłonę termiczną

Wizerunek Helen Hwang Jessica Chou

Przez wiele miesięcy próbki topniały. To nie było zaskakujące — Plaster miodu wypełniony korkiem z włókna szklanego był poddawany uderzeniu ciepła czterokrotnie bardziej intensywnego niż to, co wytrzymywała krawędź natarcia promu kosmicznego po ponownym wejściu w ziemską atmosferę. To było jak umieszczenie najgorętszego piekarnika na świecie w środku jego najpotężniejszego tunelu aerodynamicznego.

Te same materiały chroniły już wszystkie poprzednie amerykańskie lądowniki na Marsie przed gorącem uderzania w atmosferę Marsa z prędkością prawie 16 000 kilometrów na godzinę. Ale to już nie wystarczyło. Osłona Mars Science Laboratory (MSL) musiałaby wytrzymać około 250 watów energii na centymetr kwadratowy — około 10 razy więcej niż w przypadku Vikinga, pierwszego amerykańskiego lądownika marsjańskiego, który wylądował na planecie w 1976 roku. To dlatego, że MSL, którego start zaplanowano na sierpień 2009 roku, byłby trzy razy cięższy niż Viking. Łazik Curiosity, który przewoził MSL, był około pięć razy cięższy niż łaziki Spirit i Opportunity, które bezpiecznie wylądowały na Marsie w 2004 roku. Rozmiar i waga MSL nie były same w sobie problemami nierozwiązywalnymi. Jednak symulacje komputerowe wykazały, że ogromna waga sondy spowodowałaby silne turbulencje, prowadząc do bardziej surowych warunków, niż mogłyby wytrzymać jakiekolwiek wcześniejsze osłony termiczne wejścia na Marsa. A kiedy obrócili materiał osłony termicznej na bok w kierunku nadchodzącego strumienia gorącego powietrza, aby symulować turbulencje, znajdujące się w nim komórki plastra miodu pękały, prowadząc do reakcji łańcuchowej awarii. Test wyglądał zupełnie inaczej niż wszystko, co kiedykolwiek widzieliśmy, wspomina Helen Hwang, badaczka z NASA Ames Research Center w Dolinie Krzemowej, która w tamtym czasie była odpowiedzialna za system ochrony termicznej MSL.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W następstwie tych niepowodzeń zespół Hwanga stanął w obliczu poważnego kryzysu czasowego. Był rok 2007, a start zaplanowano za niecałe dwa lata. Jak widziała, były dwie opcje: przeprojektowanie misji, aby spróbować zredukować warunki ogrzewania, lub wymyślenie nowego materiału osłony termicznej. Pierwsza opcja ograniczyłaby miejsce lądowania łazika i instrumenty naukowe, które mógłby przewozić. Druga opcja oznaczała, że ​​będą musieli zaprojektować, opracować, przetestować i zbudować nową osłonę termiczną w mniej niż 18 miesięcy. Ta opcja była ryzykowna, ale pozwoliłaby misji wykonać całą naukę, do której była przeznaczona.

Wybrali drugą opcję.

Gdy ludzkie ambicje rosną w kosmosie, nasza pomysłowość będzie musiała im dorównać. Aby zbadać gęstą atmosferę planet takich jak Wenus czy Saturn, potrzebujemy niezwykle wytrzymałych osłon termicznych, które wytrzymają intensywne ciśnienie. Aby wysłać próbki z Marsa z powrotem na Ziemię, potrzebujemy niezniszczalnych osłon termicznych, które zapobiegną zanieczyszczeniu naszej planety przez obce formy życia i odwrotnie. Lądowanie ludzi na innych planetach będzie wymagało superwymiarowych aeroshellów, kapsuł wejściowych chronionych osłonami termicznymi, o średnicy prawie 20 metrów (66 stóp) lub większej. Nic podobnego do tej skali nigdy wcześniej nie poleciało na Marsa.

Wyzwania związane z rozwojem tych technologii będą ogromne, ale także korzyści, jeśli bezpiecznie dostarczą roboty i ludzi do nowych granic. Bez najnowocześniejszych postępów w powłokach powietrznych i osłonach termicznych takie misje będą bezcelowe — po prostu spłoną w atmosferze.

Jeśli udasz się w kosmos, masz dwa powody, by zwolnić: wrócić na Ziemię lub zatrzymać się w innym ciele niebieskim. Jednym ze sposobów na spowolnienie jest użycie tej samej metody, której używałeś do przyspieszania: rakiet. Oznacza to jednak przewożenie większej ilości paliwa rakietowego, co zwiększa wagę. Z praktycznego punktu widzenia sensowne jest wykorzystanie atmosfery, jeśli taka istnieje. Jednak przetrwanie powstałego ciepła wymaga sprytnych materiałów i sprytnie ukształtowanego statku kosmicznego.

Sprytne kształty powstały w latach pięćdziesiątych w Ames Research Center, w tym samym miejscu, w którym Hwang później pracował nad opracowaniem osłony termicznej MSL. Harry Julian Harvey Allen, który we wczesnych latach pięćdziesiątych kierował działem badawczym szybkich prędkości Amesa, opracował tak zwane tępe ciało, które miałoby płaską, szeroką stronę, aby znieść ciężar gorąca. Allen i kolega pracowali nad teorią przez następny rok. Zdali sobie sprawę, że tępe nadwozie wytworzy przed sobą silną falę uderzeniową, która odbije większość ciepła z dala od pojazdu. Następnie ułożyli drugi element układanki: ablację. Oznacza to użycie materiałów, które są zaprojektowane tak, aby rozkładały się i erodowały przy wejściu, tworząc zwęgloną warstwę, która skutecznie odpycha ciepło od pojazdu.

Koncepcja tępego ciała początkowo spotkała się ze sceptycyzmem i pozostała utajniona do 1957 roku. Ale w maju 1961 roku, kiedy Alan Shepard został pierwszym Amerykaninem, który odwiedził kosmos, jego kapsuła Friendship 7 wykorzystywała stożkowatą tępą twarz, aby bezpiecznie powrócić na Ziemię.

Dzięki programowi Apollo nowe materiały ablacyjne były bardzo aktywnym obszarem badań w latach 60. XX wieku. W przypadku Apollo NASA zwróciła się do firmy o nazwie Avco, która specjalizowała się w materiałach do głowic rakiet dalekiego zasięgu. Gruba na 2,7 cala warstwa Avcoat, materiału osłony termicznej wykonanej z żywicy epoksydowej w matrycy z włókna szklanego, pochłonęła najgorsze ciepło podczas powrotu Apollo.

HEEET jest przeznaczony do wejścia w ekstremalne środowiska, takie jak te na Saturnie czy Neptunie. Jessica Chou

W misjach Viking – które miały wystrzelić pierwsze udane lądowniki marsjańskie w latach 70. – NASA użyła nowego materiału o nazwie SLA-561V. Podobnie jak Avcoat, SLA (dla super lekkiego ablatora) opiera się na strukturze plastra miodu wypełnionej kroplami żywicy ablacyjnej. Ale inżynierowie z Martin Marietta, firmy, która opracowała ten materiał, zintegrowali również lżejsze składniki, takie jak krzem i korek, aby zmniejszyć jego gęstość.

Wahadłowce kosmiczne, wystrzelone po raz pierwszy w latach 80., wymagały zupełnie nowego podejścia. Wahadłowce miały być wielokrotnego użytku, dotyczyło to również osłon termicznych. Zamiast substancji takiej jak SLA, czółenka były chronione wzmocnionym węglem węglowym na nasadce nosa i krawędziach natarcia oraz ceramicznymi płytkami na brzuchu.

Hwang, który dorastał w małym miasteczku w stanie Iowa, pamięta, jak podczas szkolnej prezentacji posługiwał się płytką promu kosmicznego. Doświadczenie zasiało chęć do pracy nad technologiami osłon termicznych. Po zdobyciu doktoratu z fizyki plazmy na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign podjęła pracę w Ames Research Center, ale takiej, która nie miała nic wspólnego z osłonami termicznymi. Przez kilka lat pracowała nad wykorzystaniem plazmy do wytrawiania obwodów w mikrochipach. Kiedy skończyły się fundusze, przerzuciła się na osłony termiczne, realizując swoje dziecięce ambicje.

Kiedy w 2006 roku Hwang otrzymała zadanie stworzenia osłony termicznej dla projektu MSL, początkowo zwróciła się do SLA. Ale dość szybko stało się jasne, że SLA nie zadziała. Nigdy tak naprawdę nie byliśmy w stanie określić, co było przyczyną awarii, mówi Hwang, ale awaria była powtarzalna; testowaliśmy w wielu różnych obiektach i widzieliśmy tę samą awarię w różnych warunkach.

Nie było jednak wielu innych opcji. Jedynym realnym wyborem było coś, co nazywano ablatorem węglowym impregnowanym fenolem (PICA), który został opracowany w Ames w latach 90. na potrzeby misji Gwiezdny pył — pierwszy, który zwrócił próbki z komety i najszybszy powrót do atmosfery w historii. Gwiezdny pył używał jednego ciągłego kawałka PICA, ale MSL był zbyt duży, aby to podejście było praktyczne. Zamiast tego musieli stworzyć płytki z materiału i zaprojektować sondę Marsa, aby była nimi pokryta, robiąc to w sposób, który nie pozwalał strumieniom gazu na przepływ wzdłuż potencjalnie wrażliwych szwów między płytkami. Była to pierwsza wyłożona płytkami ablacyjna osłona termiczna i największa aeroskorupa, jaką kiedykolwiek latano. (To samo rozwiązanie jest obecnie używane przez SpaceX w swojej kapsułce Dragon. NASA wypożyczyła do SpaceX Dana Rasky'ego, jednego z projektantów PICA w Ames, aby pomógł zaprojektować materiał osłony termicznej Dragon, znany jako PICA-X.)

Chcę zbadać nasz Układ Słoneczny. Byliśmy tylko w kilku miejscach. Chcę iść do nich wszystkich.

Gdy zbliżał się termin wprowadzenia MSL, Hwang i jej zespół wysadzili próbki PICA w kompleksie Arc Jet w Ames, poprawiając zrozumienie materiału i wypełniaczy szczelin z każdym nowym testem. Udoskonalili swoją tarczę na czas przed startem w 2009 r. – tylko po to, by misja została opóźniona do 2011 r., aby upewnić się, że inne systemy są gotowe. MSL ostatecznie wylądował na Marsie w sierpniu 2012 roku. Curiosity jest nadal aktywny na Marsie i odniósł tak duży sukces, że NASA opracowuje teraz kolejną misję, łazik Mars 2020, oparty na podobnym projekcie. Hwang powtórzyła swoją rolę w zarządzaniu systemem ochrony termicznej, który ponownie użyje PICA do osłony statku kosmicznego podczas jego lądowania na Marsie na początku 2021 roku.

Jessica Chou

Jednym z najważniejszych zadań łazika Mars 2020 będzie zbieranie próbek, które pewnego dnia mogą zostać wyrzucone z powrotem na Ziemię przez przyszły lądownik. Nawet gdy naukowcy uczą się, jak lądować statki kosmiczne nowej generacji na innych światach, pracują również nad sprowadzeniem kuszących obcych środowisk z powrotem na Ziemię.

Jeśli ludzie chcą wylądować na Marsie, będą potrzebować osłon termicznych co najmniej cztery razy większych niż te na MSL. Dlatego NASA opracowuje obecnie koncepcje rozszerzalnych powłok aero, które można schować wewnątrz osłony rakiety nośnej i umieścić w większej osłonie w kosmosie. Wiele z tych prac jest wykonywanych w Langley Research Center NASA w Wirginii. Rankiem 23 lipca 2012 roku rakieta sondująca wystrzeliła z obiektu NASA Wallops Flight Facility przez zatokę Chesapeake z Langley na wschodnim wybrzeżu Wirginii. Rakieta miała rozkładaną powłokę aero, znaną jako hipersoniczny nadmuchiwany aerodynamiczny decelerator (HIAD), szeroki, płytki stożek składający się z nadmuchiwanej struktury rur w kształcie pączka. HIAD miał mniej niż pół metra średnicy, ale w kosmosie rozłożył się do trzech metrów. Poszerzenie tarczy powoduje rozproszenie ciepła ponownego wejścia na większy obszar.

Rakieta przeleciała 290 mil w górę — znacznie powyżej granicy przestrzeni — a następnie HIAD napełnił się do swoich pełnych rozmiarów. Kamery pokładowe uchwyciły widok Oceanu Atlantyckiego, gdy konstrukcja opadała przez atmosferę. Koncepcja HIAD sprawdziła się dobrze w tych testach w locie, ale niektórzy nadal wzdragają się przed pomysłem ochrony astronautów na Marsie za pomocą wydmuchiwanej skorupy. Wiele osób mówi: „Och, masz nadmuchiwaną konstrukcję – będzie się wyginać jak zabawka na basenie” – mówi Robert Dillman, inżynier lotnictwa w Langley i członek zespołu HIAD. Ta rzecz jest całkiem solidna. Dzwoni po dotknięciu.

Większe aeroshelle odpychają fale uderzeniowe dalej od statku kosmicznego, zapewniając lepszą ochronę przed ciepłem wlatującym. Pozostałe ciepło jest odprowadzane przez elastyczny system ochrony termicznej, który pokrywa nadmuchiwaną konstrukcję wytrzymałymi tkaninami zewnętrznymi i izolacją.

Następny HIAD, który ma latać, osiągnie niską orbitę okołoziemską i rozszerzy się do sześciu metrów. Ale te nadmuchiwane koncepcje nie są jedynymi rozwijanymi aeroshellami, które powstają. Zespół firmy Ames opracowuje składaną osłonę o nazwie Adaptowalna, rozkładana technologia wprowadzania i umieszczania. Wykonana z elastycznych włókien węglowych tkanych w 3D, osłona otwiera się jak parasol i jest stabilnie utrzymywana przez metalowe rozpórki.

Hwang jest również zaangażowany w rozwój czegoś, co nazywa się tarczą cieplną dla technologii ekstremalnego środowiska wejścia (HEEET), która może pomieścić misje na Wenus, Saturna, Urana i Neptuna. HEEET jest znacznie bardziej wytrzymały niż PICA i SLA-561V, a zatem lepiej nadaje się do gęstych atmosfer. Tradycyjnie każda misja miała unikalną osłonę termiczną, ale to sprawia, że ​​rzeczy są droższe. Hwang ma nadzieję, że uda mu się osiągnąć ekonomię skali — rodzaj ponownego wejścia na rynek Forda T.

„Chcę zbadać nasz Układ Słoneczny”, mówi. Byliśmy tylko w kilku miejscach. Chcę iść do nich wszystkich.

Becky Ferreira jest reporterką naukową mieszkającą w Ithaca w stanie Nowy Jork. Jej prace pojawiły się w Wired i New York Times.

ukryć