Az űrkutatás és az űrhajók tervezésének egyik legnagyobb kihívást jelentő aspektusa a visszatérés terve. Még olyan vékony légkörű bolygók esetében is, mint a Mars, a bolygó légkörébe való belépésről ismert, hogy nagyon sok hőt és súrlódást okoz. Ezért az űrhajókat mindig hőpajzsokkal szerelték fel, amelyek elnyelik ezt az energiát, és biztosítják, hogy az űrhajó ne kerüljön össze és ne égjen fel visszatéréskor.
Sajnos a jelenlegi űrhajóknak hatalmas felfújható vagy mechanikusan elhelyezett pajzsokra kell támaszkodniuk, amelyek gyakran nehézek és bonyolultak. Ennek megoldására a Manchester-i Egyetem doktorandusza kifejlesztett egy hőpajzs prototípusát, amely centrifugális erőkre támaszkodik a rugalmas, könnyű anyagok merevítésére. Ez a prototípus, amely az első a maga nemében, csökkentheti az űrutazás költségeit és megkönnyítheti a jövőbeni Mars-missziókat.
A koncepciót Rui Wu, a Manchester mechanikai, repülési és ûrmérnöki iskolájának doktori hallgatója javasolta. Csatlakoztak Peter C. E. Roberts-hez és Carl Driver-hez, az űrhajó-mérnöki tanár és a MACE oktatójához, valamint Constantinos Soutis-hoz, a Manchesteri Egyetem Repülési Kutató Intézetéhez.
Egyszerűen fogalmazva: a légkörrel rendelkező bolygók lehetővé teszik az űrhajók számára, hogy aerodinamikai vontatást használva lelassuljanak a leszállás előkészítéséhez. Ez a folyamat óriási hőt termel. A Föld légköre esetén 10 000 ° C (18 000 ° F) hőmérsékletet generálnak, és az űrhajó körüli levegő plazmává alakulhat. Ezért az űrhajóknak elülső oldalra szerelt hővédő pajzsra van szükségük, amely elviseli a szélsőséges hőt és aerodinamikai alakú.
A Marsba történő telepítéskor a körülmények kissé eltérnek, de a kihívás változatlan. Noha a marsi légkör kevesebb, mint 1% -a a Földének - átlagos felületnyomásával 0,636 kPa-val, összehasonlítva a Föld 101,325 kPa-jával - az űrhajóknak továbbra is hőpajzsokra van szükségük, hogy elkerüljék az égést és a nehéz terheket. A Wu kialakítása potenciálisan megoldja mindkét kérdést.
A prototípus kialakítása, amely egy szoknya alakú pajzsból készült pajzsból áll, hővédő pajzsot kíván létrehozni, amely képes kielégíteni a jelenlegi és a jövőbeli űri missziók igényeit. Amint Wu kifejtette:
„A jövőbeli küldetések céljára szolgáló űrhajóknak nagyobbnak és nehezebbnek kell lenniük, mint valaha, azaz a hővédő pajzsok egyre inkább túlságosan nagyok lesznek a kezelésükhöz… A jövőbeni küldetések számára használt űrhajóknak nagyobbnak és nehezebbnek kell lenniük, mint valaha, azaz a hővédő pajzsok egyre nagyobb méretűek ahhoz, hogy kezelni tudják őket. .”
Wu és kollégái fogalmát egy nemrégiben készült tanulmányban írták le, amely a folyóiratban jelent megArca Astronautica („Centrifugális erő által kifejlesztett rugalmas hőpajzsok” címmel). A kialakítás fejlett, rugalmas anyagból áll, amely magas hőmérsékleti toleranciával rendelkezik és lehetővé teszi az űrhajó fedélzetén történő egyszerű összecsukhatóságát és tárolását. Az anyag merev lesz, amikor az árnyékolás centrifugális erőt gyakorol, amelyet a belépéskor történő forgatás valósít meg.
Eddig Wu és csapata egy csepppróbát végzett a prototípussal 100 m (328 láb) tengerszint feletti magasságból léggömb felhasználásával (amelynek videója alább található). Ezenkívül szerkezeti dinamikus elemzést végeztek, amely megerősítette, hogy a hővédő pajzs képes automatikusan bekapcsolódni a megfelelő centrifugálási sebességbe (6 fordulat / másodperc), ha 30 km-nél magasabb tengerszint feletti magasságból telepítik - ez egybeesik a Föld sztratoszférájával.
A csoport hővizsgálatot is végzett, amely azt mutatta, hogy a hővédő pajzs a KubeSat méretű járművön 100 K (100 ° C; 212 ° F) hőmérsékleten csökkentheti az elülső hőmérsékletet anélkül, hogy maga a pajzs körül kellene hőszigetelni (ellentétben a felfújható szerkezetekkel). ). A kialakítás szintén önszabályozó, azaz nem támaszkodik kiegészítő gépekre, tovább csökkentve az űrhajók súlyát.
És a hagyományos mintáktól eltérően, prototípusuk méretezhető kisebb méretű űrhajók fedélzetén való használatra, mint például a CubeSats. Egy ilyen pajzskal felszerelve a CubeSats helyreállítható, miután újra beléptek a Föld légkörébe, és ténylegesen újrafelhasználhatóvá váltak. Mindez összhangban áll az űrkutatás és a kutatás költséghatékonyságra irányuló jelenlegi erőfeszítéseivel, részben az újrafelhasználható és visszakereshető alkatrészek fejlesztésén keresztül. Amint Wu kifejtette:
„Egyre több kutatást végeznek az űrben, de ez általában nagyon drága, és a felszerelésnek meg kell osztania a versenyt más járművekkel. Mivel ez a prototípus könnyű és rugalmas ahhoz, hogy kisebb műholdakon is felhasználható legyen, a kutatást könnyebbé és olcsóbbá tehetik. A hővédő pajzs költségmegtakarítást is eredményezne a helyreállítási feladatok során, mivel a magas indukciókkal csökken az újbóli belépéskor elégetett tüzelőanyag mennyisége. ”
Amikor eljön az ideje a nehezebb űrhajóknak a Marsra történő telepítéséhez, amely valószínűleg a személyzet kiküldetését is magában foglalja, akkor valószínű, hogy a hővédő pajzsok, amelyek biztosítják, hogy biztonságosan a felszínre kerüljenek, könnyű, rugalmas anyagokból készülnek, amelyek forognak és merevülnek. Időközben ez a konstrukció könnyű és kompakt beléptető rendszereket tehet lehetővé a kisebb űrhajók számára, ami a CubeSat kutatását sokkal megfizethetőbbé teszi.
Ilyen a modern űrkutatás jellege, amelynek lényege a költségek csökkentése és az űr hozzáférhetőbbé tétele. És ne felejtsd el nézni ezt a videót a csapat csepp tesztjéből is, Rui Wui és a MACE csapat jóvoltából:
