Uzay araştırmaları ve uzay aracı tasarımının daha zorlu yönlerinden biri yeniden giriş planlıyor. Mars gibi ince atmosfere sahip gezegenlerde bile, bir gezegenin atmosferine girmenin çok fazla ısı ve sürtünmeye neden olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, uzay aracı her zaman bu enerjiyi emmek ve uzay aracının yeniden giriş sırasında çarpmamasını veya yanmamasını sağlamak için ısı kalkanları ile donatılmıştır.
Ne yazık ki, mevcut uzay aracı, genellikle ağır ve kullanımı karmaşık olan büyük şişirilebilir veya mekanik olarak yerleştirilmiş kalkanlara güvenmelidir. Bunu ele almak için, Manchester Üniversitesi'nden bir doktora öğrencisi, esnek ve hafif malzemeleri sertleştirmek için santrifüj kuvvetlerine güvenecek bir ısı kalkanı için bir prototip geliştirdi. Türünün ilk örneği olan bu prototip, uzay yolculuğunun maliyetini azaltabilir ve gelecekteki Mars görevlerini kolaylaştırabilir.
Konsept Manchester’ın Makine, Havacılık ve Uzay Mühendisliği (MACE) Okulu'ndan doktora öğrencisi Rui Wu tarafından önerildi. Peter C.E. Roberts ve Carl Driver - Uzay Aracı Mühendisliği'nde Kıdemli Öğretim Görevlisi ve MACE'de Öğretim Görevlisi - ve Manchester Üniversitesi Havacılık ve Uzay Araştırma Enstitüsü Constantinos Soutis'e katıldı.
Basitçe söylemek gerekirse, atmosfere sahip gezegenler, uzay aracının inişe hazırlanırken yavaşlamak için aerodinamik sürtünmeyi kullanmasına izin verir. Bu işlem muazzam miktarda ısı yaratır. Dünya atmosferi söz konusu olduğunda, 10.000 ° C (18.000 ° F) sıcaklıklar üretilir ve uzay aracının etrafındaki hava plazmaya dönüşebilir. Bu nedenle uzay aracı, aşırı ısıyı tolere edebilen ve aerodinamik şekle sahip, ön tarafa monte edilmiş bir ısı kalkanı gerektirir.
Mars'a konuşlandırılırken, koşullar biraz farklıdır, ancak zorluk aynı kalır. Mars atmosferi, Dünya'nın 101.325 kPa'sına kıyasla ortalama 0.636 kPa yüzey basıncına sahip Dünya'nınkinin% 1'inden az olsa da, uzay aracı yanmayı önlemek ve ağır yükleri taşımak için hala ısı kalkanlarına ihtiyaç duyuyor. Wu’nun tasarımı potansiyel olarak bu iki sorunu da çözüyor.
Prototipin tasarımı, döndürmek için tasarlanmış etek şeklinde bir kalkantan oluşuyor ve mevcut ve gelecekteki uzay görevlerinin ihtiyaçlarını karşılayabilecek bir ısı kalkanı oluşturmaya çalışıyor. Wu'nun açıkladığı gibi:
“Gelecekteki görevler için uzay aracı her zamankinden daha büyük ve daha ağır olmalı, yani ısı kalkanları yönetmek için gittikçe daha büyük olacak… Gelecekteki görevler için uzay aracı her zamankinden daha büyük ve daha ağır olmalı, yani ısı kalkanları yönetmek için çok daha büyük olacak .”
Wu ve meslektaşları, dergide ortaya çıkan yeni bir çalışmada kavramlarını tanımladılarArca Astronautica (“Merkezkaç kuvveti ile yerleştirilmiş esnek ısı kalkanları” başlıklı). Tasarım, yüksek sıcaklık toleransına sahip ve bir uzay aracında kolayca katlanıp depolanmasına izin veren gelişmiş, esnek bir malzemeden oluşur. Kalkan, girişte dönerek gerçekleştirilen merkezkaç kuvveti uyguladığından malzeme sertleşir.
Wu ve ekibi şimdiye kadar prototip ile 100 m (328 ft) yükseklikteki bir balonla (videosu aşağıda yayınlanan) bir damla testi yaptılar. Ayrıca, ısı kalkanının, Dünya'nın stratosferine denk gelen 30 km'den (18.64 mi) daha yüksek irtifalardan konuşlandırıldığında otomatik olarak yeterli bir dönüş hızına (saniyede 6 devir) girebildiğini doğrulayan yapısal bir dinamik analiz gerçekleştirdiler.
Ekip ayrıca, ısı kalkanının, kalkanın etrafında ısı yalıtımı gerektirmeden (şişirilebilir yapıların aksine) CubeSat boyutlu bir araçta ön uç sıcaklıklarını 100 K (100 ° C; 212 ° F) azaltabileceğini gösteren bir termal analiz gerçekleştirdi. ). Tasarım aynı zamanda kendi kendini düzenler, yani ek makinelere dayanmaz, bir uzay aracının ağırlığını daha da azaltır.
Geleneksel tasarımların aksine, prototipleri CubeSats gibi daha küçük uzay araçlarında kullanılmak üzere ölçeklenebilir. Böyle bir kalkanla donatılarak, CubeSats, Dünya atmosferine yeniden girdikten sonra etkili bir şekilde tekrar kullanılabilir hale geldikten sonra kurtarılabilir. Bunların hepsi, kısmen yeniden kullanılabilir ve geri alınabilir parçaların geliştirilmesi yoluyla, alan araştırması ve araştırmayı maliyet etkin hale getirme çabalarına uygundur. Wu'nun açıkladığı gibi:
“Uzayda gittikçe daha fazla araştırma yapılıyor, ancak bu genellikle çok pahalı ve ekipmanın bir yolculuğu diğer araçlarla paylaşması gerekiyor. Bu prototip hafif ve daha küçük uydularda kullanılabilecek kadar esnek olduğundan araştırma daha kolay ve daha ucuz hale getirilebilir. Isı kalkanı aynı zamanda yüksek indüksiyonlu sürükleme, yeniden girişte yakılan yakıt miktarını azalttığı için kurtarma görevlerinde maliyetten tasarruf edilmesine yardımcı olacaktır. ”
Muhtemelen mürettebat görevlerini içerecek olan daha ağır uzay aracının Mars'a konuşlandırılma zamanı geldiğinde, yüzeye güvenli bir şekilde yaptıklarından emin olan ısı kalkanlarının sertleşmek için dönen hafif, esnek malzemelerden oluşması tamamen mümkündür. Bu arada, bu tasarım daha küçük uzay araçları için hafif ve kompakt giriş sistemlerini etkinleştirerek CubeSat araştırmasını çok daha uygun hale getirebilir.
Tamamen maliyetleri düşürmek ve alanı daha erişilebilir kılmakla ilgili olan modern uzay araştırmalarının doğası böyledir. Rui Wui ve MACE ekibinin izniyle ekibin düşme testinden de bu videoyu izlediğinizden emin olun:
