Een van de meer uitdagende aspecten van ruimteverkenning en ruimtevaartuigontwerp is planning voor re-entry. Zelfs in het geval van planeten met een dunne atmosfeer zoals Mars, is het bekend dat het binnengaan van de atmosfeer van een planeet veel hitte en wrijving veroorzaakt. Om deze reden zijn ruimtevaartuigen altijd uitgerust met hitteschilden om deze energie te absorberen en ervoor te zorgen dat het ruimtevaartuig niet crasht of verbrandt tijdens terugkeer.
Helaas moet het huidige ruimtevaartuig vertrouwen op enorme opblaasbare of mechanisch ingezette schilden, die vaak zwaar en ingewikkeld in gebruik zijn. Om dit aan te pakken, heeft een promovendus van de Universiteit van Manchester een prototype ontwikkeld voor een hitteschild dat zou vertrouwen op middelpuntvliedende krachten om flexibele, lichtgewicht materialen te verstevigen. Dit prototype, het eerste in zijn soort, kan de kosten van ruimtevaart verminderen en toekomstige missies naar Mars vergemakkelijken.
Het concept is bedacht door Rui Wu, een promovendus van de Manchester School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Hij werd vergezeld door Peter CE Roberts en Carl Driver - respectievelijk een senior docent ruimtevaarttechniek en een docent aan de MACE - en Constantinos Soutis van het University of Manchester Aerospace Research Institute.
Simpel gezegd, met planeten met atmosferen kunnen ruimtevaartuigen de aerodynamische weerstand gebruiken om te vertragen ter voorbereiding op de landing. Dit proces zorgt voor een enorme hoeveelheid warmte. In het geval van de atmosfeer van de aarde worden temperaturen van 10.000 ° C (18.000 ° F) gegenereerd en kan de lucht rond het ruimtevaartuig in plasma veranderen. Om deze reden hebben ruimtevaartuigen een aan de voorzijde gemonteerd hitteschild nodig dat extreme hitte kan verdragen en aerodynamisch van vorm is.
Bij inzet op Mars zijn de omstandigheden enigszins anders, maar de uitdaging blijft hetzelfde. Hoewel de atmosfeer van Mars minder dan 1% is van die van de aarde - met een gemiddelde oppervlaktedruk van 0,636 kPa vergeleken met de aarde van 101,325 kPa - hebben ruimtevaartuigen nog steeds hitteschilden nodig om opbranden te voorkomen en zware lasten te dragen. Het ontwerp van Wu lost mogelijk beide problemen op.
Het ontwerp van het prototype, dat bestaat uit een rokvormig schild dat is ontworpen om te draaien, is bedoeld om een hitteschild te creëren dat geschikt is voor de behoeften van huidige en toekomstige ruimtemissies. Zoals Wu uitlegde:
“Ruimtevaartuigen voor toekomstige missies moeten groter en zwaarder zijn dan ooit tevoren, wat betekent dat hitteschilden steeds groter worden om te beheren ... Ruimtevaartuigen voor toekomstige missies moeten groter en zwaarder zijn dan ooit tevoren, wat betekent dat hitteschilden steeds te groot worden om te beheren . '
Wu en zijn collega's beschreven hun concept in een recent onderzoek dat in het tijdschrift verscheenArca Astronautica (getiteld "Flexibele hitteschilden ingezet door middelpuntvliedende kracht"). Het ontwerp bestaat uit een geavanceerd, flexibel materiaal met een hoge temperatuur tolerantie en maakt het gemakkelijk op te vouwen en op te slaan aan boord van een ruimtevaartuig. Het materiaal wordt stijf als het schild middelpuntvliedende kracht uitoefent, wat wordt bereikt door te roteren bij binnenkomst.
Tot dusver hebben Wu en zijn team een valtest met het prototype uitgevoerd vanaf een hoogte van 100 m (328 ft) met behulp van een ballon (waarvan de video hieronder is geplaatst). Ze voerden ook een structurele dynamische analyse uit die bevestigde dat het hitteschild in staat is automatisch een voldoende spinsnelheid (6 omwentelingen per seconde) in te schakelen wanneer het wordt ingezet vanaf hoogtes van meer dan 30 km (18,64 mijl) - wat samenvalt met de stratosfeer van de aarde.
Het team voerde ook een thermische analyse uit die erop wees dat het hitteschild de front-end temperaturen met 100 K (100 ° C; 212 ° F) op een CubeSat-voertuig kon verlagen zonder dat er thermische isolatie rond het schild zelf nodig was (in tegenstelling tot opblaasbare structuren ). Het ontwerp is ook zelfregulerend, wat betekent dat het niet afhankelijk is van extra machines, waardoor het gewicht van een ruimtevaartuig nog verder wordt verminderd.
En in tegenstelling tot conventionele ontwerpen, is hun prototype schaalbaar voor gebruik aan boord van kleinere ruimtevaartuigen zoals CubeSats. Door te zijn uitgerust met een dergelijk schild, kunnen CubeSats worden hersteld nadat ze opnieuw de atmosfeer van de aarde zijn binnengekomen, waardoor ze effectief herbruikbaar zijn geworden. Dit past allemaal in de huidige inspanningen om ruimteverkenning en onderzoek kosteneffectief te maken, onder meer door de ontwikkeling van herbruikbare en terughaalbare onderdelen. Zoals Wu uitlegde:
“Er wordt steeds meer onderzoek gedaan in de ruimte, maar dit is meestal erg duur en de apparatuur moet een rit delen met andere voertuigen. Aangezien dit prototype lichtgewicht en flexibel genoeg is voor gebruik op kleinere satellieten, kan onderzoek eenvoudiger en goedkoper worden gemaakt. Het hitteschild zou ook helpen bij het besparen van kosten bij bergingsmissies, aangezien de hoge luchtweerstand de hoeveelheid verbrande brandstof bij terugkomst vermindert. ”
Als het tijd is om zwaardere ruimtevaartuigen naar Mars te sturen, wat waarschijnlijk gepaard zal gaan met bemande missies, is het heel goed mogelijk dat de hitteschilden die ervoor zorgen dat ze veilig naar de oppervlakte komen, zijn gemaakt van lichtgewicht, flexibele materialen die draaien om stijf te worden. In de tussentijd zou dit ontwerp lichtgewicht en compacte toegangssystemen voor kleinere ruimtevaartuigen mogelijk maken, waardoor het onderzoek naar CubeSat veel goedkoper wordt.
Dat is de aard van moderne ruimteverkenning, waarbij alles draait om kosten besparen en ruimte toegankelijker maken. Bekijk ook deze video van de valtest van het team, met dank aan Rui Wui en het MACE-team:
