Einer der herausfordernderen Aspekte der Weltraumforschung und des Entwurfs von Raumfahrzeugen ist die Planung eines Wiedereintritts. Selbst bei dünn atmosphärischen Planeten wie dem Mars verursacht der Eintritt in die Atmosphäre eines Planeten bekanntermaßen viel Wärme und Reibung. Aus diesem Grund wurden Raumfahrzeuge immer mit Hitzeschildern ausgestattet, um diese Energie zu absorbieren und sicherzustellen, dass das Raumfahrzeug beim Wiedereintritt nicht abstürzt oder verbrennt.
Leider müssen aktuelle Raumfahrzeuge auf riesige aufblasbare oder mechanisch eingesetzte Schilde angewiesen sein, die oft schwer und kompliziert zu bedienen sind. Um dies zu beheben, hat ein Doktorand der Universität von Manchester einen Prototyp für einen Hitzeschild entwickelt, der auf Zentrifugalkräften beruht, um flexible, leichte Materialien zu versteifen. Dieser Prototyp, der erste seiner Art, könnte die Kosten für die Raumfahrt senken und zukünftige Missionen zum Mars erleichtern.
Das Konzept wurde von Rui Wu vorgeschlagen, einem Doktoranden der Manchester School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Zu ihm gesellten sich Peter C. E. Roberts und Carl Driver - ein leitender Dozent für Raumfahrzeugtechnik und ein Dozent bei MACE - sowie Constantinos Soutis vom Aerospace Research Institute der Universität Manchester.
Um es einfach auszudrücken: Planeten mit Atmosphären ermöglichen es Raumfahrzeugen, den Luftwiderstand zu nutzen, um sich zur Vorbereitung der Landung zu verlangsamen. Dieser Prozess erzeugt eine enorme Wärmemenge. In der Erdatmosphäre werden Temperaturen von 10.000 ° C erzeugt und die Luft um das Raumschiff kann sich in Plasma verwandeln. Aus diesem Grund benötigen Raumfahrzeuge einen am Frontend montierten Hitzeschild, der extreme Hitze verträgt und eine aerodynamische Form aufweist.
Beim Einsatz auf dem Mars sind die Umstände etwas anders, aber die Herausforderung bleibt gleich. Während die Marsatmosphäre weniger als 1% der Erdatmosphäre beträgt - mit einem durchschnittlichen Oberflächendruck von 0,636 kPa im Vergleich zu 101,325 kPa auf der Erde - benötigen Raumfahrzeuge immer noch Hitzeschilde, um ein Abbrennen zu vermeiden und schwere Lasten zu tragen. Das Design von Wu löst möglicherweise beide Probleme.
Das Design des Prototyps, das aus einem rockförmigen Schild besteht, das zum Drehen ausgelegt ist, zielt darauf ab, einen Hitzeschild zu schaffen, der den Anforderungen aktueller und zukünftiger Weltraummissionen gerecht wird. Wie Wu erklärte:
„Raumfahrzeuge für zukünftige Missionen müssen größer und schwerer sein als je zuvor, was bedeutet, dass Hitzeschilde für die Verwaltung immer zu groß werden. Raumfahrzeuge für zukünftige Missionen müssen größer und schwerer als je zuvor sein, was bedeutet, dass Hitzeschilde für die Verwaltung immer zu groß werden . ”
Wu und seine Kollegen haben ihr Konzept in einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie beschriebenArca Astronautica (mit dem Titel „Flexible Hitzeschilde durch Zentrifugalkraft“). Das Design besteht aus einem fortschrittlichen, flexiblen Material, das eine hohe Temperaturtoleranz aufweist und ein einfaches Zusammenklappen und Aufbewahren an Bord eines Raumfahrzeugs ermöglicht. Das Material wird steif, wenn die Abschirmung eine Zentrifugalkraft ausübt, die durch Drehen beim Eintritt erreicht wird.
Bisher haben Wu und sein Team mit dem Prototyp aus einer Höhe von 100 m (328 ft) einen Falltest mit einem Ballon durchgeführt (dessen Video unten veröffentlicht ist). Sie führten auch eine strukturdynamische Analyse durch, die bestätigte, dass der Hitzeschild in der Lage ist, automatisch eine ausreichende Schleudergeschwindigkeit (6 Umdrehungen pro Sekunde) zu erreichen, wenn er aus einer Höhe von mehr als 30 km (18,64 mi) eingesetzt wird - was mit der Stratosphäre der Erde übereinstimmt.
Das Team führte auch eine thermische Analyse durch, die ergab, dass der Hitzeschild die Front-End-Temperaturen bei einem Fahrzeug der Größe CubeSat um 100 K (100 ° C) senken kann, ohne dass eine Wärmedämmung um den Schild selbst erforderlich ist (im Gegensatz zu aufblasbaren Strukturen) ). Das Design ist auch selbstregulierend, was bedeutet, dass es nicht auf zusätzliche Maschinen angewiesen ist, was das Gewicht eines Raumfahrzeugs noch weiter reduziert.
Und im Gegensatz zu herkömmlichen Designs ist ihr Prototyp für den Einsatz an Bord kleinerer Raumfahrzeuge wie CubeSats skalierbar. Durch die Ausstattung mit einem solchen Schild könnten CubeSats nach ihrem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wiederhergestellt und effektiv wiederverwendbar werden. Dies alles steht im Einklang mit den derzeitigen Bemühungen, die Erforschung und Erforschung des Weltraums kostengünstig zu gestalten, unter anderem durch die Entwicklung wiederverwendbarer und abrufbarer Teile. Wie Wu erklärte:
„Im Weltraum wird immer mehr geforscht, aber dies ist normalerweise sehr teuer und die Ausrüstung muss sich eine Fahrt mit anderen Fahrzeugen teilen. Da dieser Prototyp leicht und flexibel genug ist, um auf kleineren Satelliten eingesetzt zu werden, könnte die Forschung einfacher und billiger gemacht werden. Der Hitzeschild würde auch dazu beitragen, Kosten bei Bergungsmissionen zu sparen, da sein hoher induzierter Luftwiderstand den Kraftstoffverbrauch beim Wiedereintritt verringert. “
Wenn es an der Zeit ist, dass schwerere Raumschiffe auf dem Mars stationiert werden, was wahrscheinlich Missionen mit Besatzung beinhalten wird, besteht es durchaus möglich, dass die Hitzeschilde, die sicherstellen, dass sie sicher an die Oberfläche gelangen, aus leichten, flexiblen Materialien bestehen, die sich drehen, um steif zu werden. In der Zwischenzeit könnte dieses Design leichte und kompakte Zugangssysteme für kleinere Raumfahrzeuge ermöglichen, was die CubeSat-Forschung wesentlich erschwinglicher macht.
Dies ist die Natur der modernen Weltraumforschung, bei der es darum geht, Kosten zu senken und den Raum zugänglicher zu machen. Schauen Sie sich auch dieses Video aus dem Falltest des Teams an, mit freundlicher Genehmigung von Rui Wui und dem MACE-Team:
