Eden izmed zahtevnejših vidikov raziskovanja vesolja in oblikovanja vesoljskih plovil je načrtovanje ponovnega vstopa. Tudi v primeru tanko atmosferskih planetov, kot je Mars, je znano, da vstop v atmosfero planeta povzroča veliko toplote in trenja. Zaradi tega so vesoljska plovila že od nekdaj opremljena s toplotnimi ščiti, ki absorbirajo to energijo in zagotavljajo, da se vesoljska plovila med ponovnim vstopom ne zrušijo in ne izgorejo.
Na žalost se mora trenutno vesoljsko plovilo zanašati na ogromne napihljive ali mehansko nameščene ščite, ki so pogosto težke in zapletene za uporabo. Za reševanje tega problema je doktorski študent z univerze v Manchestru razvil prototip toplotnega ščita, ki bi se za zatiranje prožnih in lahkih materialov zanašal na centrifugalne sile. Ta prototip, ki je prvi te vrste, bi lahko zmanjšal stroške potovanja v vesolje in olajšal prihodnje misije na Mars.
Koncept je predlagal Rui Wu, doktorski študent iz Manchester's School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Pridružila sta se mu Peter C.E. Roberts in Carl Driver - višji predavatelj vesoljskega inženirstva in predavatelj na MACE - in Constantinos Soutis z University of Manchester Aerospace Research Institute.
Preprosto povedano, planeti z atmosfero omogočajo vesoljskim plovilom, da z aerodinamičnim vlečenjem upočasnijo pripravo na pristanek. Ta postopek ustvarja ogromno toplote. V primeru Zemljine atmosfere se ustvarijo temperature 10.000 ° C (18.000 ° F), zrak okoli vesoljskega plovila pa se lahko spremeni v plazmo. Zaradi tega vesoljska plovila potrebujejo toplotni ščit, nameščen spredaj, ki lahko prenaša izjemno vročino in je aerodinamične oblike.
Pri napotitvi na Mars so okoliščine nekoliko drugačne, vendar izziv ostaja enak. Medtem ko je marsovsko ozračje manjše od 1% od Zemljinega - s povprečnim površinskim tlakom 0,636 kPa v primerjavi z Zemljinimi 101,325 kPa - vesoljska plovila še vedno potrebujejo toplotne zaščite, da se izognejo izgorevanju in prenašajo težke obremenitve. Oblikovanje teh rešitev rešuje obe težavi.
Zasnova prototipa, ki ga sestavlja ščitnik v obliki krila, zasnovan za vrtenje, želi ustvariti toplotni ščit, ki ustreza potrebam sedanjih in prihodnjih vesoljskih misij. Kot je Wu pojasnil:
"Vesoljska plovila za prihodnje misije morajo biti večja in težja kot kdaj koli prej, kar pomeni, da bodo toplotni ščiti postali vedno preveliki za upravljanje ... Vesoljska plovila za prihodnje misije morajo biti večja in težja kot kdajkoli prej, kar pomeni, da bodo toplotni ščiti postali vedno preveliki, da bi jih lahko upravljali. . "
Wu in njegovi sodelavci so svoj koncept opisali v nedavni študiji, ki se je pojavila v revijiArca Astronautica (z naslovom „Prožni toplotni ščiti, nameščeni s centrifugalno silo“). Zasnova je sestavljena iz naprednega, prilagodljivega materiala, ki ima visoko temperaturno toleranco in omogoča enostavno zlaganje in shranjevanje na vesoljskem plovilu. Material postane trden, ko ščit izvaja centrifugalno silo, kar dosežemo z vrtenjem ob vstopu.
Do zdaj sta Wu in njegova ekipa izvedla test padca s prototipom z višine 100 m (328 ft) z uporabo balona (videoposnetek katerega je objavljen spodaj). Izvedli so tudi strukturno dinamično analizo, ki je potrdila, da je toplotni ščitnik sposoben samodejno vključiti zadostno hitrost vrtenja (6 vrtljajev na sekundo), ko se namesti z višine nad 30 km (18,64 milje) - kar sovpada z zemeljsko stratosfero.
Skupina je opravila tudi toplotno analizo, ki je pokazala, da lahko toplotni ščit zniža temperature prednjega konca za 100 K (100 ° C; 212 ° F) na vozilu velikosti CubeSat brez potrebe po toplotni izolaciji okoli samega ščita (za razliko od napihljivih konstrukcij ). Zasnova je tudi samoregulirajoča, kar pomeni, da se ne zanaša na dodatne stroje, kar še dodatno zmanjša težo vesoljskega plovila.
In za razliko od običajnih modelov je njihov prototip prilagodljiv za uporabo na krovu manjših vesoljskih plovil, kot je CubeSats. Če bi ga opremili s takim ščitom, bi lahko CubeSats obnovili, ko ponovno vstopijo v Zemljino ozračje, tako da bi dejansko postali uporabni. Vse to je v skladu s sedanjimi napori, da bi bilo raziskovanje vesolja in raziskave stroškovno učinkovitejše, deloma tudi z razvojem delov, ki jih je mogoče uporabiti za večkratno uporabo. Kot je Wu pojasnil:
»V vesolju se izvaja vse več raziskav, vendar je to običajno zelo drago, oprema pa se mora voziti z drugimi vozili. Ker je ta prototip dovolj lahek in prilagodljiv za uporabo na manjših satelitih, bi lahko raziskave olajšali in pocenili. Toplotni ščit bi prav tako pomagal prihraniti stroške pri obnovitvenih nalogah, saj njegovo visoko inducirano zmanjšanje zmanjša količino goriva, ki je bilo požgano ob ponovnem vstopu. "
Ko pride čas, da se na Mars napotijo težja vesoljska plovila, ki bodo verjetno vključevala misije posadke, je povsem mogoče, da so toplotni ščiti, ki zagotavljajo, da se varno pripeljejo na površino, sestavljeni iz lahkih, prožnih materialov, ki se vrtijo in postanejo togi. Medtem bi ta zasnova lahko omogočila lahke in kompaktne sisteme za vstop manjših vesoljskih plovil, kar bi raziskave CubeSat naredilo veliko bolj dostopne.
Takšna je narava sodobnega raziskovanja vesolja, kar pomeni zmanjšanje stroškov in izboljšanje dostopa do prostora. Oglejte si ta videoposnetek tudi na ekipnem preizkusu padcev iz vljudnosti Rui Wui in ekipe MACE:
