Lucht- en ruimtevaart

Wat weerhoudt ruimteschepen ervan om te verbranden tijdens terugkeer?

Wat weerhoudt ruimteschepen ervan om te verbranden tijdens terugkeer?


Astronauten de ruimte in krijgen daagt ingenieurs uit met ongekend moeilijke problemen. Hoewel het ruimtevaartuig mogelijk is bewezen tijdens de lancering en de duur van de blootstelling aan de ruimte, moet het nog steeds een van de meest veeleisende uitdagingen van allemaal doorstaan: terugkeer. Aan het einde van een missie komen ruimteschepen opnieuw de atmosfeer van de aarde binnen terwijl ze meer dan30.000 km / u. De enorme snelheid van het terugkeervoertuig drukt de lucht beneden samen tot een hete bal van plasma die het voertuig omcirkelt. Om de astronauten veilig thuis te brengen, moeten ze worden beschermd tegen de hitte die ze bereiktduizenden graden.

De gevaren van terugkeer

Archeologen hebben lang begrepen dat asteroïden opbranden als ze door de atmosfeer vallen. Het feit baarde wetenschappers decennialang angst aan toen ze zich afvroegen of het mogelijk was een voertuig te ontwerpen dat sterk genoeg was om de gevaarlijke omgeving te weerstaan ​​die door terugkeer wordt gecreëerd.

Een van de grootste uitdagingen voor lucht- en ruimtevaartingenieurs is het ontwikkelen van een thermisch beschermend materiaal dat niet in gevaar komt, zelfs niet bij temperaturen zo hoog als 1.700 graden Celsius.

Er wordt een verscheidenheid aan thermische beschermingssystemen (TPS) gebruikt om te voorkomen dat ruimteschepen preventief in brand vliegen. Het hitteschild is de primaire verdediging van een terugkeervoertuig tegen de intense hitte die wordt ervaren wanneer ze door de atmosfeer vallen.

Er gebeurt een ramp

Een van de moeilijk te leren lessen van terugkeer was tijdens de fatale vlucht van Columbia op 1 februari 2003. Tijdens de lancering scheurde een groot stuk schuim ter grootte van een aktetas los en veroorzaakte enige schade aan een hitteschildpaneel op de linkervleugel. De missie ging gewoon door tot het noodlot toesloeg tijdens de terugkeer. Oververhit plasma drong de aangetaste vleugel binnen en verbrandde snel zijn structuur. Helaas begon de Columbia een oncontroleerbare val, waardoor hij uiteenviel. Zeven astronauten kwamen die dag om het leven.

Het ongelukkige ongeluk zou de NASA echter dwingen de Space Shuttle opnieuw te ontwerpen. Meer dan een decennium later implementeert NASA de geleerde lessen op zijn nieuwe schip,Orion.

Eerdere technologieën

Vroege bemande ruimtevaartuigen, waaronder Mercurius, Gemini en Apollo, konden tijdens de terugkeer niet worden gemanoeuvreerd. De ruimtecapsules hadden ballistische re-entry-trajecten gevolgd voordat ze in de oceaan kelderden.

Grote hitteschilden gemaakt van fenolische epoxyharsen in een honingraatstructuur van nikkellegeringen beschermden de capsules tijdens het opnieuw invoeren. De schilden waren bestand tegen ongelooflijk hoge verwarmingssnelheden, een dringende noodzaak bij terugkeervoertuigen.

De Apollo-maanmissies vormden een grote technische hindernis sinds de capsules, toen ze terugkeerden van de maan en de atmosfeer binnenkwamen met meer dan 40.000 km / u. Het hitteschild was in staat om de verkoolde laag controleerbaar weg te nemen of te verbranden om de onderliggende lagen te beschermen. Hoewel het hitteschild effectief was, waren er enkele kritische nadelen.

De schilden waren zwaar en waren direct aan het voertuig gebonden. Bovendien waren ze niet herbruikbaar.

Misschien wel het meest indrukwekkende thermische beschermingssysteem (TPS) is dat van de Space Shuttle-orbiter. Het Space Shuttle-programma vereiste een volledig opnieuw ontworpen hitteschild. Met een ongelooflijk lange levensduur van 100 missies, de isolatie moest niet alleen goed presteren, maar ook herbruikbaar zijn. Het technische succes ervan zal de innovatieve technologieën opleveren die zullen worden toegepast in de volgende generatie ruimteprogramma's.

Het thermische beschermingssysteem van de Space Shuttle

In de ruimte zou de Orbiter de wereld omcirkelen 90 minuten. De tijd van dag naar nacht zou temperatuurschommelingen van -130 graden Celsius tot bijna 100 graden Celsius laten zien, laat staan ​​de temperaturen van terugkeer.

Hoewel er veel materialen bestaan ​​die duurzaam genoeg zijn om de krachten van de terugkeer te weerstaan, zijn er niet veel die de hitte kunnen weerstaan. Tijdens terugkeer van de Orbiter bereikten de externe oppervlakken extreme temperaturen tot 1648 ° C (3000 ° F).

Ondanks de extreme hitte die de TPS ervaart, werken veel systemen samen om de buitenhuid van de Orbiter onder te houden 176 ° C (350 ° F). Hoewel de externe componenten honderden graden kunnen overleven, is het aluminium casco slechts bestand tegen temperaturen tot a maximaal 150 ° C. Temperaturen die ver boven de drempelwaarde liggen, zorgen ervoor dat het frame zacht en aangetast wordt. De aanwezige thermische beveiligingssystemen zorgen ervoor dat het casco de thermische limiet niet overschrijdt.

De materialen die worden gebruikt om de Orbiter koel te houden

NASA's eerste operationele orbiter, ook wel bekend als de Columbia, was gemaakt van vier primaire materialen. De materialen omvatten versterkte koolstof-koolstof (RCC), herbruikbare oppervlakte-isolatietegels voor lage en hoge temperaturen (respectievelijk LRSI en HRSI), en vilten herbruikbare oppervlakte-isolatie (FRSI) -dekens.

Verschillende delen van het vliegtuig ervaren verschillende temperaturen en hebben daarom verschillende materialen nodig. De onderdelen die het meest aan hitte worden blootgesteld, inclusief de neus en onderkant van de Orbiter, zijn gemaakt van de meest thermisch bestendige materialen. De voorranden vereisen een extra versterkte koolstof-koolstofcoating bovenop de hoge temperatuur isolatietegels.

Andere gebieden, waaronder het grootste deel van de romp, waren bedekt met geavanceerd flexibel en herbruikbaar isolatiedekens.

[Afbeelding afkomstig van NASA]

Alle componenten die met de buitenkant in contact komen, zijn bedekt met coatings met een hoog emissievermogen om ervoor te zorgen dat de Shuttle de meeste thermische warmte weerkaatst. Maar ook het kleurverschil speelt een cruciale rol.

Zwart-witte tegels, hoewel vergelijkbaar qua samenstelling, voeren verschillende taken uit tijdens terugkeer. De witte tegels op het bovenoppervlak van het materiaal behouden een hoge thermische reflectiviteit (een neiging om minimale warmte te absorberen). De zwarte tegels zijn daarentegen geoptimaliseerd voor een maximale emissiviteit, waardoor ze sneller warmte verliezen dan witte tegels.

Hoe ze werken

De tegels die veel van de brute kracht opnemen tijdens terugkeer zijn gemaakt van silica aerogels. Het materiaal dat aan de onderkant van de Orbiter wordt gebruikt (bekend als LI-900) is 94 volumeprocent luchtwaardoor het ongelooflijk licht is. De tegels zijn speciaal ontworpen om thermische schokken te weerstaan. Een LI-900 kan worden verwarmd tot 1200 graden en vervolgens zonder schade in koud water duiken. Het optimaliseren van de tegels met een lage dichtheid en hoge schokbestendigheid leidt echter tot een compromis in de algehele sterkte.

Gebieden met hoge spanning vereisen een robuuster materiaal; Gebieden met hoge spanning vereisen een robuuster materiaal; een probleem dat later door het materiaal werd opgelost LI-2200. LI-2200-tegels zijn aangepast om meer kracht te weerstaan. De sterkere tegels hebben echter ook hun nadelen. Een LI-2200-tegel weegt 22 pond per kubieke voet bulkdichtheid vergeleken met de veel lichtere LI-900 met een dichtheid van slechts 9 pond per kubieke voet.

Vandaag opnieuw de atmosfeer binnenkomen

Hoewel astronauten de maan al een tijdje niet hebben bezocht en hoewel het spaceshuttle-programma sindsdien is verlaten, bezoeken astronauten routinematig het ISS om experimenten en reparaties uit te voeren. Hoewel de ruimteschepen zijn veranderd, behouden de technologieën die ze terug naar huis brengen dezelfde principes.

Orion ruimtevaartuig

NASA's huidige magnum opus is hun revolutionaire Orion-ruimtevaartuig. NASA belooft dat het ruimtevaartuig de mens verder zal brengen dan ooit tevoren, inclusief Mars. Hoewel het nieuwe ruimtevaartuig een totale herziening van zijn terugkeersystemen vereiste.

Hoewel de Space Shuttle een opmerkelijke TPS heeft, hebben ingenieurs het idee van herbruikbare thermische schilden grotendeels verlaten ten gunste van goedkope, gemakkelijk te vervaardigen tegels voor eenmalig gebruik.

De Orion-capsule zal niet naar binnen glijden zoals de Space Shuttle ooit deed. In plaats daarvan worden parachutes gebruikt om een ​​veilige terugkeer naar de aarde te garanderen. De bemanningsmodule van Orion is ontworpen om opnieuw binnen te komen met snelheden van meer dan40.000 km / u.

Hoe de Orion de terugkeer overleeft

Het grote oppervlak van de onderkant van de capsule werkt om de kracht op te vangen. Net als de Apollo-terugkeervoertuigen, is het hitteschild van Orion ontworpen om te ableren (controleerbare verbranding). Het schild is aerodynamisch genoeg om een ​​stabiele vliegbaan te behouden, maar bot genoeg om de afdaling te vertragen tot een snelheid van slechts 500 km / u.

Na een redelijke snelheid te hebben bereikt, vertragen verschillende kleine parachutes met een diameter van iets meer dan 2 meter het vliegtuig met slechts 30 km / u. Van daaruit een reeks grote parachutes met een diameter van7 meterworden ingezet om de capsule te vertragen 200 km / u alleen maar 3 kilometer boven het aardoppervlak. Ten slotte vertragen drie enorme hoofdparachutes met een diameter van elk 35 meter de daalsnelheid tot een overleefbare snelheid. Hoewel de overloop niet mooi is.

Het is echter door het zware werk dat astronauten vandaag verrichten dat de mensheid vooruit zal helpen om de volgende gigantische sprong te maken. Binnenkort zullen missies mensen ver buiten het bereik van de aarde brengen om buitenaardse planeten te verkennen.

Geschreven door Maverick Baker


Bekijk de video: herfst 2020 astrologisch en energetisch