يمكن أن يوفر مفهوم الدرع الحراري للغزل طريقة خفيفة الوزن للبقاء على قيد الحياة مرة أخرى في الغلاف الجوي
أحد الجوانب الأكثر تحديًا لاستكشاف الفضاء وتصميم المركبات الفضائية هو التخطيط للعودة. حتى في حالة الكواكب ذات الغلاف الجوي الرقيق مثل المريخ ، فمن المعروف أن دخول الغلاف الجوي للكوكب يسبب قدرًا كبيرًا من الحرارة والاحتكاك. لهذا السبب ، تم تجهيز المركبات الفضائية دائمًا بدروع من الحرارة لامتصاص هذه الطاقة وضمان عدم تحطم المركبة الفضائية أو احتراقها أثناء العودة.
لسوء الحظ ، يجب أن تعتمد المركبة الفضائية الحالية على دروع ضخمة قابلة للنفخ أو مثبتة ميكانيكيًا ، والتي غالبًا ما تكون ثقيلة ومعقدة في الاستخدام. لمعالجة هذا الأمر ، طور طالب دكتوراه من جامعة مانشستر ملف النموذج الأولي للدرع الحراري التي من شأنها أن تعتمد على قوى الطرد المركزي لتقوية المواد المرنة وخفيفة الوزن. هذا النموذج الأولي ، وهو الأول من نوعه ، يمكن أن يقلل من تكلفة السفر إلى الفضاء ويسهل الرحلات المستقبلية إلى المريخ.
تم اقتراح هذا المفهوم من قبل روي وو ، طالب دكتوراه من مانشستر كلية الهندسة الميكانيكية والفضاء والهندسة المدنية (صولجان). وانضم إليه بيتر سي إي روبرتس وكارل درايفر - محاضر أول في هندسة المركبات الفضائية ومحاضر في MACE ، على التوالي - وكونستانتينوس سوتيس من معهد أبحاث الفضاء بجامعة مانشستر .
الدرع الحراري النموذجي بحجم CubeSat الذي صممه فريق جامعة مانشستر. الائتمان: جامعة مانشستر
ببساطة ، تسمح الكواكب ذات الغلاف الجوي للمركبات الفضائية باستخدام السحب الديناميكي الهوائي لإبطاء السرعة استعدادًا للهبوط. هذه العملية تخلق كمية هائلة من الحرارة. في حالة الغلاف الجوي للأرض ، يتم توليد درجات حرارة تبلغ 10000 درجة مئوية (18000 درجة فهرنهايت) ويمكن أن يتحول الهواء المحيط بالمركبة الفضائية إلى بلازما. لهذا السبب ، تتطلب المركبة الفضائية درعًا حراريًا أماميًا يمكن أن يتحمل الحرارة الشديدة ويكون ذو شكل ديناميكي هوائي.
عند الانتشار إلى المريخ ، تختلف الظروف إلى حد ما ، لكن التحدي يظل كما هو. في حين أن الغلاف الجوي للمريخ أقل من 1٪ من الغلاف الجوي للأرض - بمتوسط ضغط سطحي يبلغ 0.636 كيلو باسكال مقارنة بالأرض 101.325 كيلو باسكال - لا تزال المركبات الفضائية تتطلب دروعًا من الحرارة لتجنب الاحتراق وتحمل الأحمال الثقيلة. من المحتمل أن يحل تصميم Wu كلتا هاتين المشكلتين.
يسعى تصميم النموذج الأولي ، الذي يتكون من درع على شكل تنورة مصمم للدوران ، إلى إنشاء درع حراري يمكنه تلبية احتياجات المهام الفضائية الحالية والمستقبلية. كما أوضح وو:
'يجب أن تكون المركبات الفضائية للبعثات المستقبلية أكبر وأثقل من أي وقت مضى ، مما يعني أن الدروع الحرارية ستصبح أكبر من أن تتم إدارتها بشكل متزايد ... يجب أن تكون المركبات الفضائية للمهام المستقبلية أكبر وأثقل من أي وقت مضى ، مما يعني أن الدروع الحرارية ستصبح أكبر من أن يتم إدارتها بشكل متزايد . '
وصف وو وزملاؤه مفهومهم في دراسة حديثة ظهرت في المجلةسفينة الفضاء(بعنوان ' دروع حرارية مرنة يتم نشرها بواسطة قوة الطرد المركزي '). يتكون التصميم من مادة متطورة ومرنة تتحمل درجات حرارة عالية وتسمح بسهولة طيها وتخزينها على متن مركبة فضائية. تصبح المادة صلبة حيث يطبق الدرع قوة الطرد المركزي ، والتي يتم تحقيقها بالتناوب عند الدخول.
يقوم وو وفريقه بإجراء اختبار السقوط لنموذج الدرع الحراري. الائتمان: جامعة مانشستر
حتى الآن ، أجرى وو وفريقه اختبار السقوط مع النموذج الأولي من ارتفاع 100 متر (328 قدمًا) باستخدام بالون (تم نشر الفيديو أدناه). أجروا أيضًا تحليلًا ديناميكيًا هيكليًا أكد أن الدرع الحراري قادر على الانخراط تلقائيًا في معدل دوران كافٍ (6 دورات في الثانية) عند نشره من ارتفاعات أعلى من 30 كم (18.64 ميل) - والذي يتزامن مع الستراتوسفير للأرض.
أجرى الفريق أيضًا تحليلًا حراريًا أشار إلى أن الدرع الحراري يمكن أن يقلل درجات الحرارة الأمامية بمقدار 100 كلفن (100 درجة مئوية ؛ 212 درجة فهرنهايت) على مركبة بحجم CubeSat دون الحاجة إلى عزل حراري حول الدرع نفسه (على عكس الهياكل القابلة للنفخ) ). كما أن التصميم ذاتي التنظيم ، مما يعني أنه لا يعتمد على آلات إضافية ، مما يقلل من وزن المركبة الفضائية بشكل أكبر.
وعلى عكس التصميمات التقليدية ، فإن نموذجها الأولي قابل للتطوير للاستخدام على متن المركبات الفضائية الأصغر مثل CubeSats. من خلال تجهيزها بمثل هذا الدرع ، يمكن استعادة CubeSats بعد عودتها إلى الغلاف الجوي للأرض ، لتصبح قابلة لإعادة الاستخدام بشكل فعال. يتماشى هذا كله مع الجهود الحالية لجعل استكشاف الفضاء والبحوث فعالة من حيث التكلفة ، وذلك جزئيًا من خلال تطوير أجزاء قابلة لإعادة الاستخدام والاسترجاع. كما أوضح وو:
'يتم إجراء المزيد والمزيد من الأبحاث في الفضاء ، ولكن هذا عادة ما يكون مكلفًا للغاية ويجب أن تشترك المعدات في الركوب مع المركبات الأخرى. نظرًا لأن هذا النموذج الأولي خفيف الوزن ومرن بدرجة كافية للاستخدام على الأقمار الصناعية الأصغر ، يمكن جعل البحث أسهل وأرخص. سيساعد الدرع الواقي من الحرارة أيضًا في توفير التكلفة في مهام الاسترداد ، حيث يقلل السحب المستحث العالي من كمية الوقود المحترق عند الدخول مرة أخرى '.
عندما يحين وقت نشر المركبات الفضائية الأثقل في المريخ ، والتي من المحتمل أن تتضمن مهمات مأهولة ، فمن الممكن تمامًا أن تكون الدروع الحرارية التي تضمن وصولها بأمان إلى السطح مكونة من مواد خفيفة الوزن ومرنة تدور لتصبح صلبة. في غضون ذلك ، يمكن لهذا التصميم أن يتيح أنظمة دخول خفيفة الوزن ومضغوطة للمركبات الفضائية الأصغر ، مما يجعل أبحاث CubeSat أكثر تكلفة بكثير.
هذه هي طبيعة استكشاف الفضاء الحديث ، والتي تدور حول خفض التكاليف وجعل المساحة أكثر سهولة. واحرص على مشاهدة هذا الفيديو من اختبار السقوط للفريق أيضًا ، بإذن من روي وي وفريق MACE:
قراءة متعمقة: جامعة مانشستر و قانون فلكي