Et av de mer utfordrende aspektene ved romutforskning og romfartøydesign er planlegging for reinngang. Selv når det gjelder tynt atmosfæreplaneter som Mars, er det kjent at det kommer inn i en planetens atmosfære å forårsake mye varme og friksjon. Av denne grunn har romskip alltid vært utstyrt med varmeskjold for å absorbere denne energien og sikre at romskipet ikke krasjer eller brenner opp under gjeninntreden.
Dessverre må nåværende romskip stole på store oppblåsbare eller mekanisk utplasserte skjold, som ofte er tunge og kompliserte å bruke. For å adressere dette har en doktorgradsstudent fra University of Manchester utviklet en prototype for et varmeskjold som vil stole på sentrifugalkrefter for å stive fleksible, lette materialer. Denne prototypen, som er den første i sitt slag, kan redusere kostnadene for romfart og lette fremtidige oppdrag til Mars.
Konseptet ble foreslått av Rui Wu, en doktorgradsstudent fra Manchester's School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Han fikk selskap av Peter C.E. Roberts og Carl Driver - seniorlektor i romfartsteknikk og lektor ved henholdsvis MACE - og Constantinos Soutis ved University of Manchester Aerospace Research Institute.
For å si det enkelt, planeter med atmosfære lar romfartøyer bruke aerodynamisk drag for å bremse ned i forberedelsene til landing. Denne prosessen skaper en enorm mengde varme. For Jordens atmosfære genereres temperaturer på 10.000 ° C og luften rundt romfartøyet kan bli til plasma. Av denne grunn krever romfartøy et frontmontert varmeskjold som tåler ekstrem varme og er aerodynamisk i form.
Ved utplassering til Mars er omstendighetene noe annerledes, men utfordringen er den samme. Mens marsatmosfære er mindre enn 1% av jordens - med et gjennomsnittlig overflatetrykk på 0,636 kPa sammenlignet med jordas 101,325 kPa, trenger romfartøyer fortsatt varmeskjold for å unngå utbrenthet og bære tunge belastninger. Wues design løser potensielt begge disse problemene.
Prototypens design, som består av et skjørtformet skjold designet for å snurre, søker å lage et varmeskjold som kan imøtekomme behovene til nåværende og fremtidige romoppdrag. Som Wu forklarte:
”Romfartøy for fremtidige oppdrag må være større og tyngre enn noen gang før, noe som betyr at varmeskjold blir stadig for store til å styre… Romfartøy for fremtidige oppdrag må være større og tyngre enn noen gang før, noe som betyr at varmeskjold blir stadig for store til å styre .”
Wu og kollegene beskrev konseptet sitt i en fersk studie som dukket opp i tidsskriftetArca Astronautica (med tittelen “Fleksible varmeskjold utplassert av sentrifugalkraft”). Designet består av et avansert, fleksibelt materiale som har en høy temperaturtoleranse og gjør det enkelt å brette og lagre ombord i et romskip. Materialet blir stivt når skjoldet påfører sentrifugalkraft, som oppnås ved å rotere ved inntreden.
Så langt har Wu og teamet hans gjennomført en falltest med prototypen fra en høyde på 100 m ved hjelp av en ballong (videoen er lagt ut nedenfor). De gjennomførte også en strukturell dynamisk analyse som bekreftet at varmeskjoldet automatisk er i stand til å delta i en tilstrekkelig spinnhastighet (6 omdreininger per sekund) når de er distribuert fra høyder over 30 km (18,64 mi) - som sammenfaller med jordas stratosfære.
Teamet gjennomførte også en termisk analyse som indikerte at varmeskjoldet kunne redusere frontendtemperaturene med 100 K (100 ° C; 212 ° F) på et kjøretøy i størrelse CubeSat uten behov for termisk isolasjon rundt selve skjoldet (i motsetning til oppblåsbare strukturer ). Utformingen er også selvregulerende, noe som betyr at den ikke er avhengig av ekstra maskiner, noe som reduserer vekten til et romfartøy ytterligere.
Og i motsetning til konvensjonelle design, er prototypen deres skalerbar for bruk ombord på mindre romskip som CubeSats. Ved å være utstyrt med et slikt skjold, kan CubeSats gjenvinnes etter at de kom inn i jordens atmosfære igjen, og ble effektivt gjenbrukbare. Dette er alt i tråd med dagens arbeid for å gjøre romutforskning og forskning kostnadseffektiv, delvis gjennom utvikling av gjenbrukbare og gjenvinnbare deler. Som Wu forklarte:
- Det forskes mer og mer i verdensrommet, men dette er vanligvis veldig dyrt og utstyret må dele en tur med andre biler. Siden denne prototypen er lett og fleksibel nok til bruk på mindre satellitter, kan forskning gjøres enklere og billigere. Varmeskjoldet vil også bidra til å spare kostnader i utvinningsoppdrag, ettersom dets høye induserte drag reduserer mengden drivstoff som blir brent ved innreise. "
Når det er tid for tyngre romskip til Mars, som sannsynligvis vil involvere besetningsoppdrag, er det fullt mulig at varmeskjoldene som sikrer at de kommer trygt til overflaten, er sammensatt av lette, fleksible materialer som spinner for å bli stive. I mellomtiden kan dette designet muliggjøre lette og kompakte inngangssystemer for mindre romfartøy, noe som gjør CubeSat-forskning så mye mer overkommelig.
Slik er naturen til moderne romutforskning, som handler om å kutte kostnader og gjøre plassen mer tilgjengelig. Og husk å sjekke ut denne videoen fra teamets droppetest også, med tillatelse av Rui Wui og MACE-teamet:
