Kosmoseuuringute ja kosmoselaevade kujundamise üks keerulisemaid aspekte on sisenemise kavandamine. Isegi selliste õhukese atmosfääriga planeetide korral nagu Marss põhjustab planeedi atmosfääri sisenemine teadaolevalt suurt kuumust ja hõõrdumist. Sel põhjusel on kosmoseaparaadid alati varustatud soojavarjetega, mis neelavad selle energia ja tagavad, et kosmoseaparaadid ei satuks ega põseks tagasi sisenemise ajal.
Kahjuks peavad praegused kosmoseaparaadid tuginema tohututele täispuhutavatele või mehaaniliselt paigaldatavatele kilpidele, mis on sageli rasked ja keeruline kasutada. Selle lahendamiseks on Manchesteri ülikooli doktorant välja töötanud kuumakilbi prototüübi, mis toetuks tsentrifugaaljõududele painduvate ja kergete materjalide jäigastumiseks. See prototüüp, mis on esimene omataoline, võiks vähendada kosmosereiside kulusid ja hõlbustada tulevasi missioone Marsil.
Kontseptsiooni pakkus välja Manchesteri mehaanika-, lennundus- ja tsiviilehituse kooli (MACE) doktorant Rui Wu. Temaga liitusid Peter C. E. Roberts ja Carl Driver - vastavalt kosmoseaparaatide konstrueerimise vanemõppejõud ja MACE-i lektor - ning Constantinos Soutis Manchesteri ülikooli kosmoseuuringute instituudist.
Lihtsalt öeldes võimaldavad atmosfääriga planeedid kosmoselaevadel kasutada maandumiseks ettevalmistamisel aerodünaamilist tõmmet. See protsess tekitab tohutult soojust. Maa atmosfääri korral tekib temperatuur 10 000 ° C (18 000 ° F) ja kosmoseaparaadi ümbritsev õhk võib muutuda plasmaks. Sel põhjusel vajavad kosmoseaparaadid esiotsa paigaldatud kuumakilpi, mis talub äärmist kuumust ja on aerodünaamilise kujuga.
Marsile saatmisel on asjaolud mõnevõrra erinevad, kuid väljakutse jääb samaks. Kuigi Marsi atmosfäär on Maa omast vähem kui 1% - keskmise pindrõhuga 0,636 kPa võrreldes Maa 101,325 kPa-ga - vajavad kosmoseaparaadid põlemisohu vältimiseks ja raskete koormate kandmiseks siiski soojakilpe. Wu disain lahendab need mõlemad probleemid.
Prototüübi disainilahendus, mis koosneb keerutamiseks mõeldud seelikukujulisest kilbist, püüab luua kuumakilbi, mis mahutab praeguste ja tulevaste kosmosemissioonide vajadused. Nagu Wu selgitas:
„Tulevaste missioonide jaoks mõeldud kosmoseaparaadid peavad olema suuremad ja raskemad kui kunagi varem, mis tähendab, et soojavarjestused muutuvad juhtimiseks üha liiga suureks… Tulevaste missioonide jaoks mõeldud kosmoseaparaadid peavad olema suuremad ja raskemad kui kunagi varem, see tähendab, et soojusekraanid muutuvad juhtimiseks liiga suureks . ”
Wu ja ta kolleegid kirjeldasid nende kontseptsiooni ajakirjas ilmunud värskes uuringusArca Astronautica (pealkirjaga „Tsentrifugaaljõu rakendatavad elastsed kaitsekilbid“). Kujundus koosneb kõrgtehnoloogilisest, elastsest materjalist, millel on kõrge temperatuuritaluvus ja mis võimaldab seda hõlpsalt kokku panna ja kosmoselaeva pardal hoida. Materjal muutub jäigaks, kui kilp rakendab tsentrifugaaljõudu, mis saavutatakse sisenemisel pöörlemisega.
Siiani on Wu ja tema meeskond prototüübiga läbi kukkunud katset õhupalli abil 100 m kõrguselt (328 jalga) (mille video on allpool). Samuti viisid nad läbi dünaamilise struktuurianalüüsi, mis kinnitas, et soojakilp on võimeline automaatselt haarduma piisavas pöörlemiskiiruses (6 pööret sekundis) kõrgemal kui 30 km (18,64 mi) kõrgusel asuva kõrguse korral - mis langeb kokku Maa stratosfääriga.
Meeskond viis läbi ka soojusanalüüsi, mis näitas, et kuumuskilp võib CubeSat-suurusel sõidukil vähendada esiosa temperatuuri 100 K (100 ° C; 212 ° F) võrra, ilma et kilbi enda ümber oleks vaja soojusisolatsiooni (erinevalt täispuhutavatest konstruktsioonidest) ). Kujundus on ka isereguleeruv, mis tähendab, et see ei sõltu täiendavatest masinatest, vähendades veelgi kosmoselaeva kaalu.
Ja erinevalt tavapärastest disainidest on nende prototüüp skaleeritav kasutamiseks väiksemates kosmoselaevades nagu CubeSats. Sellise kaitsekilbiga saaks CubeSat taastuda pärast Maa atmosfääri naasmist, muutudes selle tõhususeks taaskasutatav. See on kooskõlas praeguste püüdlustega muuta kosmoseuuringud ja teadusuuringud kulutõhusaks, osaliselt korduvkasutatavate ja taastatavate osade arendamise kaudu. Nagu Wu selgitas:
„Kosmoses tehakse üha rohkem uuringuid, kuid see on tavaliselt väga kallis ja seadmed peavad ühist sõitu teiste sõidukitega jagama. Kuna see prototüüp on väiksematel satelliitidel kasutamiseks kerge ja piisavalt paindlik, võiks uuringuid teha lihtsamaks ja odavamaks. Kuumuskilp aitaks kokku hoida ka taastamismissioonide kulusid, kuna selle kõrge indutseeritud takistus vähendab taaskäimisel põletatud kütuse hulka. ”
Kui on aeg Marsile lähetada raskemaid kosmoselaevu, mis tõenäoliselt hõlmavad meeskonnaliikmete missioone, on täiesti võimalik, et soojavarjestused, mis tagavad nende ohutu pinnale jõudmise, koosnevad kergetest painduvatest materjalidest, mis keerlevad jäigaks. Vahepeal võiks see disain võimaldada väiksemate kosmoseaparaatide jaoks kergeid ja kompaktseid sisenemissüsteeme, muutes CubeSat'i uuringud palju soodsamaks.
See on moodsa kosmoseuuringute olemus, mille eesmärk on kulude kärpimine ja kosmose juurdepääsetavamaks muutmine. Vaadake kindlasti seda videot ka meeskonna väljalangemistestist, Rui Wui ja MACE meeskonna viisakusel:
