Az űrhajók számára a belépéskor keletkező extrém hő elleni védelem egyik legfontosabb pillére a hővédő pajzs. Az anyag összetétele és teljesítménye kulcsfontosságú a sikeres landoláshoz, ezért a fejlesztésük sokszor igényli a legmodernebb megoldásokat. Általában a kutatások során csak az elő- és utóképeket kapják, amelyek a belépés végére maradnak. Nemrég azonban ez a helyzet megváltozott egy NASA–ALS együttműködés révén, amely realisztikus belső nézetet adott a pajzs viselkedéséről visszatérés közben.
Tartalomjegyzék
Az ablatív jelenség, vagyis a tömórészecskék elnyelt hő felvétele, a pajzs egyik alappillére. A folyamat során a hőenergia a pajzson keresztül a kiváltó anyagra kerül, és darabokra hullik, magával vivve a hőt. Így a pajzs folyamatosan veszteségeket szenved, miközben a jármű visszatér a Föld felé. Eddig ez a mechanizmus a járművektől a Merkúrtól az Artemis Orionjáig minden fontos visszatérő küldetésben ezt a feladatot ellátta.
Mindazonáltal a rendszer hátrányai nyilvánvalóak. Az ablatíció végleges és új alkatrészekre van szükség minden használat után. Emellett rendkívül nehéz pontosan előre jelezni a viselkedését szimulációk segítségével; például az Artemis I misszió például váratlan szén- és egyenetlen ablatív mintázatokat mutatott, amit a korábbi számítások alapján nem lehetett teljes mértékben előre jelezni. Ennek ellenére a küldetés sikerrel zárult és a Csendes-óceán felé tartott.
A valós idejű vizsgálat alapja
Ahhoz, hogy a szimulációk közötti ürességet betöltsék, a kutatók meg akarták érteni, mi történik a pajzson a legmagasabb hőmérsékletnél, amikor a belépés során 1650 °C környékére hevül, nem csak az esemény utáni állapotokra támaszkodva. Ebben a fordulópontban lépett színre az ALS kutatói közössége.
A LBNL által tervezett kamra akár 900 °C-ig képes felhevíteni a vizsgált anyagot, ez az a küszöb, ahol a pajzsmateriál elkezd bomlani. Emellett lehetőség van a nyomás és a levegő összetételének módosítására, hogy bizonyos re-entry-jellemzőket utánozzanak, bár egy fontos tényező, az áramlási sebesség, hiányzik a kamra korlátai közül.
A legfontosabb azonban nem a kamra, hanem a képalkotó rendszer. A pajzsmateriai mintákat a kamrába helyezték, és X-ray mikrotomográfiának nevezzük a technológiát alkalmazták, így három dimenziós felépítésről tudtak valós időben képeket készíteni, miközben az anyag aktívan bomlott vagy torzult.
A két alapvető anyagtípus összehasonlítása
Vishnu Oruganti vezető kutató szerint a különféle NASA ablatív pajzsmateriálokat ezzel a technikával tanulmányozták, amelyek az Artemis és a Mars belépési küldetésekhez is kötődnek, és szinte mindegyik anyagot megvizsgálták ezzel a módszerrel.
A SLA-561V egy természetes töltőként parafa jellegű részeket tartalmaz, és a hevítés hatására a parafa részecskék gyorsan elpárolognak, üregeket hozva létre a pajzsban. Ezzel szemben a SLA-220 egy szilícium-elasztomer mátrix, amely bomlásakor összekapcsolódó mikrokánálokat hoz létre, így a forró gázok gyorsan távoznak a pajzs belsejéből.
Ezek a különbségek alapvetően befolyásolják, hogy az űrjármű miként viselkedik visszatérés közben, de ezt a megértést nehéz kiérlelni. Pontosan ilyen klasszikus képfeldolgozási kérdés merült fel: érdemesebb gyorsan vagy részletesen készíteni a felvételeket? Ha részletes képeket készítenek, a felvételek lassúak lennének és előfordulhat, hogy kimaradnak bizonyos változások. Ha pedig gyors képeket készítenek, a felbontás csökkenne, és nehezebben lehetne követni a szerkezet változásait.
Mesterséges intelligencia az adatok gyorsításáért
A megoldást az AI hozta meg: a kutatók kiépítettek egy Generative Adversarial Network, vagy GAN algoritmust. Ennek segítségével gyors köztes felbontású felvételeket készítettek, amelyeket később magas felbontású, gyors 3D-re konvertáltak, miközben az anyag torzult és korom borította, üregek is képződtek benne.
A kutatók egyelőre nem frissítették a mérnöki számításokat, amelyekkel a pajzs viselkedését ki tudják számolni, és nem készítettek elemzést a kereskedelmi járművekre vonatkozó hővédő rendszerek kapcsán sem, például a Dragon által használt PICA-X vagy a Starship visszafogható kerámia lapjai kapcsán. De mivel a képalkotó rendszer rendkívül hasznos lehet, idővel talán együttműködés alakulhat ki ilyen technológiákban a magánszektorban is.
Ez a módszer ígéretes út lehet a jövőbeli visszatérő küldetések tervezésének és a hagyományos hajtású repülés költségeinek csökkentésének támogatására, hiszen a valós idejű adatokkal a mérnökök sokkal pontosabban megérthetik, hogyan viselkedik a pajzs a forró légkörű körülmények között.
Gyakorlati kilátások és jövőbeli alkalmazások
A kutatók egyelőre nem frissítették a visszatérő pajzsok viselkedését modellező szimulációkat. A valós időben gyűjtött adatok azonban lehetővé teszik, hogy a mérnökök sokkal pontosabban megértsék, hogyan viselkedik a pajzs a rendkívüli hő- és áramlási körülmények között.
Ezen felül nem készült elemzés a kereskedelmi járművek hővédő rendszereiről, például a Dragon által használt PICA-X vagy a Starship visszafogható kerámia lapjai kapcsán sem. Mindez azonban a képalkotó módszer iránti folyamatos érdeklődés és a technológia gyakorlati hasznossága fényében előrevetíti a jövőbeni együttműködések lehetőségét.
Összességében a valós idejű képfeldolgozás és az AI-alapú adatszolgáltatás egy ígéretes út a visszatérő küldetések hatékonyságának növeléséhez, hiszen a műszaki csapatok a pajzs viselkedéséről szereznek részleteket, amelyekkel jobban tervezhetik meg a jövőben a forró légköri be- és kilépéseket.
© – NASA
Forrás: Universetoday.com
