Co zrobić, by statek kosmiczny wielokrotnego użytku nie przegrzewał się przy wejściu w atmosferę? Powinien móc się… pocić

Spis treści:

1. Co to jest chłodzenie transpiracyjne?
2. Warstwa ochronna wielokrotnego użytku
3. Wahadłowce i ich problemy

Od początku załogowych lotów kosmicznych wiemy, że najtrudniejsze momenty misji to start i powrotne przebicie się przez atmosferę ziemską. Nadlatujący pojazd wykorzystuje tarcie o ziemską atmosferę, aby zwolnić do bezpiecznej prędkości lądowania. W tym czasie powierzchnia statku rozgrzewa do temperatury od 1500 do nawet 3000 stopni Celsjusza.

Podkreślmy, że wzrost temperatury nie jest skutkiem tarcia w tradycyjnym sensie, ale ściśnięcia powietrza przed poruszającym się z dużą prędkością statkiem, czyli  kompresji. Przy wejściu w atmosferę z prędkością około 7,8 km/s (niskoorbitalna) lub więcej (np. 11 km/s przy powrocie z Księżyca), powietrze przed statkiem nagrzewa się do stanu plazmy. Bez odpowiedniej ochrony palące ciepło ponownego wejścia w atmosferę może go zniszczyć. Tak jak niszczy przelatujące przez ziemską atmosferę meteoroidy.

Co to jest chłodzenie transpiracyjne?

Przy współczesnym ogromnym rozwoju lotów kosmicznych zwiększająca się liczba podróży będzie wymagała pojazdów wielokrotnego użytku. A te będą potrzebowały odpowiednio wytrzymałych powłok. Aby rozwiązać ten problem, zespół inżynierów z Texas A&M pracuje nad stworzeniem statku kosmicznego, który się „poci”. Wykorzystują oni koncepcję zwaną chłodzeniem transpiracyjnym.

Według kierującego zespołem Hassana Saada Iftiego pomysł polega na opracowaniu materiałów drukowanych w 3D zdolnych do „wypacania” gazów chłodzących, gdy statek kosmiczny przelatuje przez atmosferę. Porównał on pocącą się warstwę gazu na kapsułach kosmicznych do kurtki typu puffer.

– Gaz ma bardzo niską przewodność cieplną. To dlatego kurtka typu puffer jest tak skuteczna. Zatrzymuje powietrze w kieszeniach, więc to izolacja z powietrza zapewnia ciepło, a nie sama kurtka – wyjaśnia inżynier.

Warstwa ochronna wielokrotnego użytku

Jeśli inżynierom uda się stworzyć taką izolowaną warstwę, pojazd będzie mógł być używany wielokrotnie. A to nie tylko obniży koszty, ale też poprawi bezpieczeństwo. Obecnie po każdym locie statku warstwy izolacyjne muszą być wymieniane. To kosztuje i zmniejsza częstotliwość lotów, ponieważ usuwanie i wymiana osłon wymaga czasu. Nowsze statki kosmiczne, takie jak Starship firmy SpaceX, wykorzystują bardziej zaawansowane osłony termiczne, ale również one nie są w pełni wielokrotnego użytku.

Dodajmy, że sam pomysł na taką ochronę przed ciepłem nie jest nowy. Koncepcja wykorzystania gazu jako warstwy ochronnej istnieje od dziesięcioleci. Było to jednak trudne ze względu na koszty materiałów i ograniczenia testowe. Jeśli eksploracja kosmosu ma przyspieszyć, możliwość ponownego użycia poszczególnych elementów jest kluczowa.

Wahadłowce i ich problemy

Bezpiecznymi i niedrogimi statkami kosmicznymi wielokrotnego użytku miały być promy kosmiczne. Niedoszacowano jednak kosztów ich eksploatacji. Problemem były też m.in. płytki izolacyjne. Choć znakomicie pełniły swoją funkcję, to najmniejsze ich uszkodzenie mogło doprowadzić do katastrofy.

Tak stało się w 2003 roku, gdy w trakcie startu skrzydło Columbii zostało uderzone przez kawałek pianki izolacyjnej z zewnętrznego zbiornika paliwa. Wycięło to dziurę w płytkach na jednej z przednich krawędzi skrzydła. Kiedy wahadłowiec rozpoczął ponowne wejście na orbitę pod koniec misji 1 lutego 2003 roku, dziura umożliwiła przedostanie się podgrzanych gazów atmosferycznych pod osłonę termiczną. Ciepło zniszczyło skrzydło od wewnątrz. Zaburzyło to stabilność wahadłowca, który rozpadł się podczas lotu przez atmosferę.

Zastosowanie izolacji gazowej oznaczałoby koniec jednorazowych osłon termicznych starego typu. Skróciłoby też czas między lotami z miesięcy, jak w przypadku promu kosmicznego, do kilku godzin. Jest to znacznie bliższe czasowi rotacji odrzutowca pasażerskiego.

Zespół z Texas A&M współpracuje z Canopy Aerospace nad pomysłem izolacji „pocącego się statku kosmicznego” w ramach grantu z programu Air Force Small Business Technology Transfer. Program ten co roku zapewnia fundusze zachęcające małe firmy i ich partnerów do udziału w programach badawczo-rozwojowych o potencjale komercyjnym.

Źródło: www.universetoday.com

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.