Wat keer dat ruimteskepe nie weer verbrand tydens hertoetrede nie? - Ruimtevaart
Wat keer dat ruimteskepe nie weer verbrand tydens hertoetrede nie?
Om ruimtevaarders die ruimte in te kry, daag ingenieurs uit met ongekende moeilike probleme. Alhoewel die ruimtetuig moontlik bewys is tydens die lansering en die duur van blootstelling aan die ruimte, moet dit steeds een van die mees veeleisende uitdagings van almal verduur: hertoetrede. Aan die einde van 'n missie gaan ruimteskepe weer die atmosfeer van die Aarde binne as hulle meer as reis30 000 km / h. Die geweldige snelheid van die voertuig wat weer inkom, pers die lug onder in 'n warm plas plasma wat die tuig omring. Om die ruimtevaarders veilig by die huis te kry, moet u beskerm teen die hitte wanneer dit bereikduisende grade.
Die gevare van hertoetrede
Argeoloë verstaan ​​al lank dat asteroïdes opbrand as hulle deur die atmosfeer val. Die feit het wetenskaplikes dekades lank vrees ingeboesem toe hulle gewonder het oor die moontlikheid om 'n voertuig te konstrueer wat sterk genoeg is om die gevaarlike omgewing te weerstaan ​​wat heringang skep.
Een van die grootste uitdagings wat lugvaartingenieurs opgelê word, is om 'n termiese beskermende materiaal te ontwikkel wat selfs nie by temperature so hoog as moontlik belemmer nie. 1700 grade Celsius.
'N Verskeidenheid van termiese beskermingstelsels (TPS) word gebruik om te voorkom dat ruimteskepe brand. Die hittebeveiliging is die primêre verdediging van 'n voertuig teen die intense hitte wat deur die atmosfeer val.
Een van die moeilik geleerde lesse van hertoetrede was tydens Columbia se noodlottige vlug op 1 Februarie 2003. Tydens die lansering het 'n groot stuk skuim van so groot as 'n aktetas losgeruk en skade aan die hitte-skildpaneel op die linkervleuel. Die missie het soos gewoonlik verloop totdat die ramp tydens die toetreding plaasgevind het. Oorverhitte plasma het die gekompromitteerde vlerk binnegedring en sy struktuur vinnig verbrand. Ongelukkig het die Columbia 'n onbeheerbare tuimel begin, wat dit laat verbrokkel het. Sewe ruimtevaarders het daardie dag hul lewens verloor.
Die ongelukkige ongeluk sou NASA egter dwing om die Ruimtependel te herontwerp. Meer as 'n dekade later implementeer NASA die lesse wat op sy nuwe skip geleer is,Orion.
Vroeë bemanning van ruimtetuie, waaronder Mercurius, Tweeling en Apollo, kon nie tydens herinvoer gemanoeuvreer word nie. Die ruimtekapsules het ballistiese re-entry-bane gevolg voordat hulle in die see stort.
Groot hittebeskermings wat van fenoliese epoksiehars in 'n heuningkoek-nikkel-allooi-reeks vervaardig is, het die kapsules tydens heringang beskerm. Die skilde kan ongelooflik hoë verhittingskoerse weerstaan, wat noodsaaklik is vir voertuie wat weer inkom.
Die Apollo-maansendings was 'n groot ingenieurshindernis sedert die kapsules, want hulle het van die maan af teruggekeer en meer as die atmosfeer binnegegaan. 40 000 km / h. Die hitte-skild kon die verkoolde laag beheerbaar afneem of verbrand om die onderliggende lae te beskerm. Alhoewel die hitte-skild effektief was, was daar kritieke nadele.
Die skilde was swaar en is direk aan die voertuig vasgemaak. Boonop was hulle nie herbruikbaar nie.
Die indrukwekkendste termiese beskermingstelsel (TPS) behoort miskien aan die van die Space Shuttle-wentelbaan. Die Space Shuttle-program het 'n heeltemal herontwerpte hitte-skild benodig. Met 'n ongelooflike lang ontwerplewe van 100 missies, die isolasie daarvan moes nie net goed presteer nie, maar moes ook herbruikbaar wees. Sy ingenieurswese sal die innoverende tegnologieë bied wat die volgende generasie ruimteprogramme sal meebring.
Die Space Shuttle termiese beskermingstelsel
In die ruimte sou die Orbiter die wêreld omring 90 minute. Die tyd van dag tot nag sou temperatuurskommelings van -130 grade Celsius tot byna 100 grade Celsius sien, wat nog te sê van die temperature van herintredes.
Alhoewel daar baie materiale bestaan ​​wat duursaam genoeg is om die kragte van heringang te weerstaan, kan nie baie die hitte weerstaan ​​nie. Tydens die toetrede van die Orbiter, het die uitwendige oppervlaktes ekstreme temperature van tot 1.648 ° C (3.000 ° F).
Ondanks die uiterste hitte wat die TPS ervaar, werk baie stelsels saam om die buitenste vel van die Orbiter onder te hou 176 ° C (350 ° F). Alhoewel die eksterne komponente honderde grade kan oorleef, kan die aluminium lugraamwerke slegs 'n temperatuur van tot a weerstaan maksimum van 150 ° C. Temperatuur wat baie hoër is as die drumpel, sal veroorsaak dat die raam as gevolg daarvan sag word en benadeel word. Die termiese beskermingstelsels wat in plek is, verseker dat die lugraam nie die termiese limiet oorskry nie.
Die materiale wat gebruik word om die Orbiter koel te hou
NASA se eerste operasionele wentelbaan, ook bekend as die Columbia, is van vier primêre materiale vervaardig. Die materiaal sluit in versterkte koolstof-koolstof (RCC), lae en hoë temperatuur herbruikbare oppervlakisolasie teëls (onderskeidelik LRSI en HRSI), en FRSI-dekens vir vilke herbruikbare oppervlakisolasie.
Verskillende dele van die vliegtuig ervaar verskillende temperature en benodig dus verskillende materiale. Die dele wat die meeste blootgestel word aan hitte, insluitend die neus en die onderkant van die Orbiter, is vervaardig van die termies bestandste materiale. Die voorste rande benodig 'n ekstra versterkte koolstof-koolstoflaag bo-op die hoë temperatuur isolasie teëls.
Ander gebiede, insluitende die grootste deel van die romp, was bedek met gevorderde buigsame en herbruikbare isolasie komberse.
[Beeld met dank aan NASA]
Al die komponente wat aan die buitekant in aanraking kom, is bedek met lae emissiwiteit om te verseker dat die pendeltuig die meeste van die termiese hitte weerkaats. Die verskil in kleur speel egter ook 'n belangrike rol.
Terwyl swart en wit teëls soortgelyk aan die samestelling is, verrig hulle verskillende take tydens hertoetrede. Die wit teëls op die boonste oppervlak van die materiaal het 'n hoë termiese reflektiwiteit ('n neiging om minimale hitte op te neem). Die swart teëls is in plaas daarvan geoptimaliseer vir maksimum emissie, waardeur hulle vinniger hitte kan verloor as wit teëls.
Hoe hulle werk
Die teëls wat baie van die brute krag neem tydens herinvoering, is gemaak van silika-aerogels. Die materiaal wat aan die onderkant van die Orbiter (bekend as LI-900) gebruik word, is 94 persent lugvolumemaak dit ongelooflik lig. Die teëls is spesifiek ontwerp om bestand te wees teen hitte. 'N LI-900 kan tot 1200 grade verhit word en dan in koue water sak sonder om skade te berokken. Die optimalisering van die teëls met 'n lae digtheid en hoë skokbestandheid lei egter tot 'n kompromie in sy algehele sterkte.
Gebiede met hoë spanning vereis 'n meer robuuste materiaal; Gebiede met hoë spanning vereis 'n meer robuuste materiaal; 'n probleem wat later deur die materiaal opgelos is LI-2200. LI-2200 teëls word aangepas om meer krag te weerstaan. Die sterker teëls het egter ook hul nadele. 'N LI-2200 teël weeg 22 pond per kubieke voet grootmaat digtheid vergeleke met die veel ligter LI-900 met 'n digtheid van net 9 pond per kubieke voet.
Vandag weer die atmosfeer binnegaan
Alhoewel ruimtevaarders die maan al 'n ruk lank nie besoek het nie, en hoewel die ruimtetuigprogram sedertdien verlaat is, besoek ruimtevaarders die ISS gereeld om eksperimente en herstelwerk uit te voer. Alhoewel die ruimteskepe verander het, behou die tegnologieë wat hulle tuisbring dieselfde beginsels.
NASA se huidige magnum opus is hul revolusionêre Orion-ruimtetuig. NASA belowe dat die ruimtetuig mense verder sal neem as ooit tevore, insluitend Mars. Alhoewel, die nuwe ruimtetuig 'n algehele opknapping van sy herintredesisteme benodig het.
Terwyl die ruimtetuig opvallende TPS het, het ingenieurs die idee van herbruikbare termiese skilde grotendeels laat vaar ten gunste van goedkoop, maklik vervaardigde teëls vir eenmalige gebruik.
Die Orion-kapsule sal nie binnegly soos die Space Shuttle vroeër gedoen het nie. In plaas daarvan word valskerms gebruik om 'n veilige terugkeer na die aarde te verseker. Die bemanningsmodule van Orion is ontwerp om weer met 'n snelheid van meer as40 000 km / h.
Hoe die Orion weer oorleef
Die groot oppervlak van die onderkant van die kapsule is besig om die stompheid van die krag te neem. Soos die Apollo-hervoertuie, is Orion se hitte-skild ontwerp om te brand (beheerbare brandwonde). Die skild is aërodinamies genoeg om 'n stabiele vliegpad te handhaaf, maar tog stomp genoeg om die afdraand te vertraag tot 'n snelheid van net 500 km / h.
Nadat 'n redelike koers bereik is, vertraag verskeie klein valskerms net meer as 2 meter in deursnee die vliegtuig met net 30 km / h. Van daar 'n reeks groot valskerms met diameters van7-meterword gebruik om die kapsule te vertraag tot 200 km / h net 3-kilometer bokant die aarde se oppervlak. Uiteindelik vertraag drie massiewe hoofvalskerms met 'n deursnee van 35 meter elk die tempo van daal tot 'n oorlewende spoed. Alhoewel die landing nie mooi is nie.
Dit is egter deur die harde, skrikwekkende werk wat ruimtevaarders vandag verrig, wat die mensdom sal bevorder om die volgende reuse-sprong te maak. Binnekort sal missies mense ver buite die bereik van die aarde neem om anderwêreldse planete te verken.