Jedným z náročnejších aspektov prieskumu vesmíru a dizajnu kozmických lodí je plánovanie opätovného vstupu. Dokonca aj v prípade riedko atmosférovaných planét, ako je Mars, je známe, že vstup do atmosféry planéty spôsobuje veľké množstvo tepla a trenia. Z tohto dôvodu boli kozmické lode vždy vybavené tepelnými štítmi, ktoré absorbujú túto energiu a zabezpečujú, aby sa kozmická loď pri opätovnom vstupe nerozpadla alebo nespálila.
Bohužiaľ, súčasná kozmická loď sa musí spoliehať na obrovské nafukovacie alebo mechanicky rozmiestnené štíty, ktoré sa často používajú ťažko a komplikovane. Na riešenie tohto problému vyvinul doktorát z University of Manchester prototyp prototypu tepelného štítu, ktorý by sa spoliehal na odstredivé sily, aby spevnil pružné a ľahké materiály. Tento prototyp, ktorý je prvým svojho druhu, by mohol znížiť náklady na vesmírne cestovanie a uľahčiť budúce misie na Mars.
Koncepciu navrhla Rui Wu, doktorandka z Manchesterskej strojnej, leteckej a stavebnej techniky (MACE). Pridali sa k nim Peter C. E. Roberts a Carl Driver - hlavný prednášajúci kozmického inžinierstva a prednášajúci na MACE - a Constantinos Soutis z Leteckého výskumného ústavu univerzity v Manchestri.
Zjednodušene povedané, planéty s atmosférou umožňujú kozmickej lodi využívať aerodynamický odpor na spomalenie prípravy na pristátie. Tento proces vytvára obrovské množstvo tepla. V prípade zemskej atmosféry sa generujú teploty 10 000 ° C (18 000 ° F) a vzduch okolo kozmickej lode sa môže zmeniť na plazmu. Z tohto dôvodu si kozmická loď vyžaduje tepelný štít namontovaný na prednej strane, ktorý toleruje extrémne teplo a má aerodynamický tvar.
Pri nasadení na Mars sú okolnosti trochu iné, ale výzva zostáva rovnaká. Zatiaľ čo marťanská atmosféra je menšia ako 1% atmosféry Zeme - s priemerným povrchovým tlakom 0,636 kPa v porovnaní so 101,325 kPa na Zemi - kozmická loď stále vyžaduje tepelné štíty, aby sa zabránilo spáleniu a neseniu ťažkých nákladov. Dizajn spoločnosti Wu potenciálne rieši obidva tieto problémy.
Dizajn prototypu, ktorý pozostáva z štítu v tvare sukne navrhnutej na točenie, sa snaží vytvoriť tepelný štít, ktorý dokáže uspokojiť potreby súčasných a budúcich vesmírnych misií. Ako vysvetlil Wu:
„Kozmická loď pre budúce misie musí byť väčšia a ťažšia ako kedykoľvek predtým, čo znamená, že tepelné štíty sa stanú stále príliš veľkými na správu ... Kozmická loď pre budúce misie musia byť väčšie a ťažšie ako kedykoľvek predtým, čo znamená, že tepelné štíty budú stále príliš veľké na správu. . "
Wu a jeho kolegovia opísali ich koncept v nedávnej štúdii, ktorá sa objavila v časopiseArca Astronautica (s názvom „Flexibilné tepelné štíty nasadené odstredivou silou“). Dizajn pozostáva z pokrokového, flexibilného materiálu, ktorý má vysokú teplotnú toleranciu a umožňuje ľahké zloženie a uskladnenie na palube kozmickej lode. Materiál sa stáva tuhým, keď štít aplikuje odstredivú silu, ktorá sa dosiahne rotáciou pri vstupe.
Wu a jeho tím doteraz vykonali skúšku pádom s prototypom z nadmorskej výšky 100 m (328 ft) pomocou balóna (ktorého video je uvedené nižšie). Vykonali tiež štrukturálnu dynamickú analýzu, ktorá potvrdila, že tepelný štít je schopný automaticky sa zapojiť do dostatočnej rýchlosti odstreďovania (6 otáčok za sekundu), keď je nasadený z nadmorských výšok viac ako 30 km (18,64 míľ) - čo sa zhoduje so stratosférou Zeme.
Tím tiež vykonal tepelnú analýzu, ktorá naznačila, že tepelný štít by mohol znížiť teplotu predného konca o 100 K (100 ° C; 212 ° F) na vozidle s veľkosťou CubeSat bez potreby tepelnej izolácie okolo samotného štítu (na rozdiel od nafukovacích štruktúr) ). Dizajn je tiež samoregulačný, čo znamená, že sa nespolieha na ďalšie strojové zariadenia, čo ešte viac znižuje hmotnosť kozmickej lode.
Na rozdiel od bežných dizajnov je ich prototyp prispôsobiteľný na použitie na palube menších kozmických lodí, ako je CubeSats. Tým, že je vybavený takým štítom, by sa CubeSats mohol obnoviť po opätovnom vstupe do zemskej atmosféry, čím by sa stal opäť použiteľným. Toto všetko je v súlade so súčasným úsilím o zefektívnenie prieskumu vesmíru a výskumu, čiastočne prostredníctvom vývoja opakovane použiteľných a obnoviteľných častí. Ako vysvetlil Wu:
„Stále viac výskumov prebieha vo vesmíre, ale je to zvyčajne veľmi drahé a vybavenie musí zdieľať jazdu s ostatnými vozidlami. Keďže tento prototyp je dostatočne ľahký a flexibilný na použitie na menších satelitoch, výskum by sa mohol uľahčiť a lacnejšie. Tepelný štít by tiež pomohol ušetriť náklady na regeneračné misie, pretože jeho vysoký indukovaný odpor znižuje množstvo paliva spáleného pri opätovnom vstupe. “
Keď príde čas, aby sa ťažšie kozmické lode nasadili na Mars, čo bude pravdepodobne zahŕňať misie s posádkou, je celkom možné, že tepelné štíty, ktoré zaisťujú, že ich bezpečne dosiahnu na povrch, sú zložené z ľahkých, flexibilných materiálov, ktoré sa otáčajú, aby sa stali tuhé. Medzitým by tento návrh mohol umožniť ľahké a kompaktné vstupné systémy pre menšie kozmické lode, čím by sa výskum CubeSat stal oveľa dostupnejším.
Takáto je povaha moderného prieskumu vesmíru, ktorý je predovšetkým o znižovaní nákladov a zvyšovaní dostupnosti priestoru. Nezabudnite sa pozrieť aj na toto video z testu pádom tímu, so súhlasom Rui Wui a tímu MACE:
