|
Лабораторные испытания теплозащитных экранов для космоса
|
|
|
|
На протяжении десятилетий Национальный центр солнечных тепловых испытаний Sandia National Laboratories использовал энергию солнца для воздействия на аэрокосмические материалы интенсивного нагрева, воспроизводя суровые условия полета со скоростью, превышающей скорость звука, и входа в атмосферу, чтобы гарантировать способность материалов защищать остальную часть транспортного средства. Самый последний из этих тестов проводится в поддержку двух захватывающих миссий НАСА.
|
|
|
|
Амбициозная кампания по возвращению образцов с Марса, программа которой находится на стадии полного пересмотра, - это миссия НАСА и Европейского космического агентства, целью которой является доставка марсианских пород ученым, работающим на Земле. Эти образцы могут дать ключ к пониманию того, была ли когда-либо жизнь на красной планете, и помочь подготовиться к исследованию Марса человеком.
|
|
|
|
Если этот вариант будет выбран, посадочный модуль для сбора образцов в рамках этой миссии доставит на Марс самый тяжелый груз из когда-либо существовавших, включая ракету, предназначенную для запуска контейнера с тщательно отобранными образцами на орбиту Марса. Недавно инженеры НАСА протестировали теплозащитные материалы для посадочного модуля Mars в Сандии.
|
|
|
|
|
|
|
"Это будет первая миссия по доставке камней с Марса на Землю; у нее большая полезная нагрузка", - сказал Кен Армиджо, инженер Sandia и руководитель испытаний NASA. "Чем тяжелее полезная нагрузка и чем больше посадочный модуль, тем выше температура при входе в атмосферу, и тем лучше должна быть теплозащитная защита".
|
|
|
|
Испытательный центр
|
|
|
|
По словам Армихо, особенность солнечной испытательной установки Sandia заключается в ее способности тестировать образцы материала шириной до 3 футов с помощью различных газов, обдувающих образцы, чтобы имитировать атмосферу разных миров. Это делается с помощью солнечного света, сфокусированного сотнями зеркалоподобных гелиостатов, а не с помощью поглощающих энергию дуговых струй или лазеров, которые являются двумя другими методами проверки материалов на пригодность для повторного использования. Это позволило бы сэкономить от 15 до 60 000 кВт электроэнергии на одно испытание, что эквивалентно использованию от 5 до 20 000 сушилок для белья в течение всего испытания.
|
|
|
|
Центр тестирования солнечной энергии Sandia включает в себя электростанцию высотой 200 футов с 212 зеркальными гелиостатами.
|
|
|
|
"У нас высокий поток и его распределение на солнечной башне", - сказал Армихо. "По сути, мы можем разместить там целые части самолетов, если захотим, и взорвать их концентрированными солнечными лучами. Мощный поток, который вы испытываете при входе в атмосферу и гиперзвуковом полете, - это только часть того, что мы можем смоделировать".
|
|
|
|
Поток представляет собой количество света или энергии, попадающее на определенную область, которое часто сравнивают с количеством солнечного света, попадающего на пляжное полотенце в солнечный день. Действуя как массивное увеличительное стекло, испытательный комплекс Sandia Solar может фокусировать солнечный свет в 3500 раз большем количестве.
|
|
|
|
По словам Армихо, струйное тестирование стоит до 100 000 долларов в день, в то время как лазерное тестирование стоит примерно 150 000 долларов в день, а тестирование на солнечной башне стоит около 25 000 долларов в день. Еще одним преимуществом является возможность фокусировать больше гелиостатов на исследуемом материале, изменяя интенсивность солнечного света, чтобы имитировать этапы вхождения в атмосферу или даже условия вхождения в атмосферу на различных небесных телах, добавил он.
|
|
|
|
"Как правило, миссии НАСА тестируют свои теплозащитные материалы на нескольких различных установках с различными возможностями, прежде чем сертифицировать материал для полета", - сказал Брэндон Смит, ведущий инженер по теплозащитным материалам для спускаемого аппарата для отбора образцов в Лаборатории реактивного движения НАСА. "Возможности Sandia по проведению испытаний такого размера прекрасно дополняют другие наши испытательные установки".
|
|
|
|
Испытания материалов для Марса и за его пределами
|
|
|
|
Во время испытаний НАСА осенью и зимой 2023 года инженеры протестировали образцы материала шириной 2 фута, разработанные в исследовательском центре Эймса НАСА. Теплозащитные экраны как для спускаемого аппарата для сбора образцов с Марса, так и для миссии Dragonfly, направляющейся к Титану, спроектированы так, чтобы быть изготовленными из этого материала, называемого углеродным аблятором, пропитанным фенолом. Этот материал успешно использовался в качестве теплозащитных экранов для миссий НАСА "Звездная пыль", "Марсианская научная лаборатория", "Марс 2020" и "ОСИРИС-Рекс".
|
|
|
|
Испытаниями руководил Кит Питерсон, специалист по материаловедению из Исследовательского центра НАСА имени Эймса. Он сказал, что другие методы тестирования материалов на предмет их пригодности для возвращения в атмосферу ограничены образцами меньшего размера, всего 8 дюймов в диаметре. Поскольку испытательный центр solar может тестировать большие образцы материала, НАСА могло бы протестировать образцы материалов, которые были слегка изогнуты, чтобы имитировать физическое напряжение, которое испытает космический аппарат, входящий в атмосферу, и изучить механизмы, которые проявляются только при увеличении длины, добавил Питерсон.
|
|
|
|
Dragonfly - это робот, похожий на вертолет, который направляется к крупнейшему спутнику Сатурна Титану и разрабатывается в Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса. Винтокрылый аппарат предназначен для выполнения нескольких вылетов, как только он достигнет Титана, в поисках химических процессов, общих как для Титана, так и для самой ранней Земли, предшествующей возникновению жизни. Титан может содержать ключи к пониманию того, как жизнь могла возникнуть на нашей планете. Однако, поскольку атмосфера Титана в четыре раза плотнее Земной, перед ним стоят свои задачи, особенно когда речь заходит о разработке теплозащитного экрана для космического корабля, который сможет пролететь через богатую метаном атмосферу и доставить винтокрылый аппарат.
|
|
|
|
Чтобы имитировать тепловые процессы при входе в атмосферу в бескислородных атмосферах Марса и Титана, исследователи продувают образец теплозащитного экрана газообразным азотом. По словам Армихо, недавно компания Sandia провела газопровод от основания электростанции к вершине. Газопровод чем-то похож на садовый шланг, подающий газ под высоким давлением туда, где проводятся испытания материалов.
|
|
|
|
Технолог-механик компании Sandia Дэниел Рэй отвечал за прокладку газопровода и устранение проблем, возникавших в ходе испытаний, по мере их возникновения. Он является главным сварщиком и изготовителем оборудования для тестирования солнечной энергии.
|
|
|
|
"Моя роль в каждом проекте - обеспечить его работоспособность", - сказал Рэй. "Во время первого испытания у НАСА возникла проблема с возгоранием защитного углеродного войлока. На следующее утро я изготовил несколько керамических экранов, чтобы лучше пропускать азот и защитить испытательную систему, и это сработало".
|
|
Палящая солнечная рогатка
|
|
|
|
В 2022 году исследователи из Лаборатории прикладной физики провели испытания прототипа теплообменника, предназначенного для вращения ракеты вокруг Солнца. Они подвергли прототип воздействию сильного солнечного потока на солнечной башне.
|
|
|
|
По словам Армихо, назначение этих новых типов теплозащитных экранов для аэрокосмических теплообменников заключается в защите и приведении в движение будущих космических аппаратов типа "Вояджер", которые будут облетать вокруг Солнца, чтобы выйти в межзвездное пространство. По словам Джессики Харсоно, инженера-механика APL и руководителя этого проекта, подлетев ближе к Солнцу, космический аппарат мог бы развить скорость, в три-четыре раза превышающую скорость "Вояджера-1".
|
|
|
|
Исследователи APL смогли протестировать свой прототип теплообменника при свете 2000 солнц в течение 10 минут. По словам Харсоно, в ходе испытаний температура прототипа превысила 3100 градусов по Фаренгейту, и он остался целым и работоспособным, продемонстрировав способность теплообменника выдерживать использование по назначению. Исследователи также протестировали несколько возможных покрытий для теплозащитных материалов.
|
|
|
|
По словам Армихо, это был не первый случай, когда исследователи APL тестировали аэрокосмические подсистемы на солнечном испытательном комплексе Sandia. Фактически, первые испытания APL начались в мае 1979 года, когда солнечной испытательной установке, спроектированной и введенной в эксплуатацию для энергетических исследований, было меньше года.
|
|
|
|
Исследователи APL вернулись в 2000 году, чтобы протестировать защитные купола от радаров, называемые обтекателями. Ранее исследователи NASA протестировали панели, датчики и системы связи космического челнока, чтобы проверить, будут ли они работать при входе в атмосферу. Предприятие также участвовало в испытаниях носовых обтекателей космических челноков и самолетов ВВС, а также в испытаниях устойчивости аэрокосмических материалов к резким перепадам температур.
|
|
|
|
"Это вылилось во множество интересных проектов, потому что, по сути, мы нашли способ регулировать нашу способность включать и выключать гелиостаты и регулировать распространение сфокусированных лучей, чтобы со временем адаптировать профиль потока к реальным условиям полета", - сказал Армихо.
|
|
|
|
"Поскольку мы можем настраивать профили, у нас появляется больше уверенности в том, что он выживет и будет хорошо функционировать во время миссии. Важно иметь уверенность в том, что он долетит до Марса, приземлится и благополучно поднимет камни".
|
|
|
|
Источник
|
