Когда астронавты МКС возвращаются домой, их ждёт «жаркая поездка» до поверхности Земли. Так было с самого начала пилотируемых полётов в космическое пространство и за его пределы. Приземляющийся аппарат использует трение об атмосферу Земли, чтобы замедлиться до безопасной скорости посадки. «Жаркая поездка» происходит из-за того, что это трение создаёт высокие температуры на «обшивке» космического корабля. Без защиты палящий жар при входе в атмосферу мог бы уничтожить его. То же самое нагревание происходит и с падающими метеороидами, когда они проносятся через атмосферу Земли.
По мере того как мы вступаем в эпоху более частых космических миссий, для этих полётов потребуются многоразовые космические аппараты. Аппаратам потребуется обшивка, способная выдержать многократные такие путешествия. Чтобы решить проблему нагрева, команда инженеров из Техасского университета A&M работает над созданием космического корабля, который «потеет», используя концепцию, называемую транспирационным охлаждением.
Что такое транспирационное охлаждение?
Идея заключается в разработке и тестировании 3D-печатных материалов, которые «выделяют» охлаждающий газ во время прохождения космического корабля через атмосферу, как объясняет руководитель группы Хасан Саад Ифти. Он сравнил выделяющийся слой газа с пуховиком для космических капсул. «Газ имеет очень низкую теплопроводность, — сказал он. — Именно поэтому пуховик так эффективен. Он задерживает воздух в этих карманах, поэтому вас согревает именно воздушная изоляция, а не твёрдая часть куртки».
Если инженеры смогут создать такой изолирующий слой, то аппарат можно будет использовать многократно. Это значительное улучшение по сравнению с одноразовым экранированием, которое используется сегодня. Сейчас после каждого полёта необходимо заменять изоляционные слои. Это требует денег и сокращает частоту полётов, поскольку удаление и замена защиты занимают время. Более современные космические корабли, такие как Starship от SpaceX, используют более совершенные тепловые экраны, но они ещё не являются полностью многоразовыми.
Потение — не новая идея
Концепция использования газа в качестве защитного слоя существует уже несколько десятилетий. Однако её реализация была затруднена из-за высокой стоимости материалов и ограничений при тестировании. Если мы хотим ускорить освоение космоса, важно обеспечить возможность повторного использования. Именно эта концепция лежала в основе космических челноков. Они были одними из первых многоразовых транспортных средств. Однако всем известны их ограничения — они были дороги в обслуживании, а время между полётами занимало больше времени, чем ожидалось. У них были отличные изоляционные плитки, но, как все узнали после потери «Колумбии» в 2003 году, малейшее повреждение плиток могло привести к гибели.
Во время своего последнего запуска крыло «Колумбии» было повреждено куском изоляционной пены с внешнего топливного бака. Это привело к образованию отверстия в плитках на передней кромке крыла. Когда шаттл начал входить в атмосферу в конце миссии 1 февраля 2003 года, отверстие позволило нагретым атмосферным газам проникнуть под тепловой щит. Тепло разрушило крыло изнутри. Это нарушило устойчивость орбитального корабля, и он развалился, пролетая через атмосферу.
Этот трагический опыт навсегда запечатлелся в памяти инженеров и энтузиастов космоса, которые стремятся к следующему поколению космических исследований и коммерческой деятельности. Именно поэтому сейчас разрабатываются более безопасные «покрытия» для возвращающихся космических аппаратов.
Если в ближайшие годы коммерческая активность в космосе возрастёт, то для такой повышенной активности потребуются более короткие промежутки времени между полётами. Использование новой системы изоляции с «испаряющимся» газом устраняет необходимость в одноразовых тепловых щитах старого образца. Это может сократить время между полётами с месяцев (как было у космических шаттлов) до нескольких часов. Такой показатель гораздо ближе к времени оборота пассажирского самолёта.
Подобное сокращение времени между полётами может революционизировать космическую индустрию, сделав космические путешествия более доступными и эффективными, приближая их к стандартам современной авиационной отрасли.
Разработка «потного» космического корабля
Команда Техасского университета A&M совместно с компанией Canopy Aerospace работает над концепцией теплоизоляции «потного» космического корабля. Проект реализуется при поддержке программы передачи технологий малого бизнеса ВВС США, которая ежегодно выделяет средства для поощрения малого бизнеса и их партнёров в программах исследований и разработок, имеющих коммерческий потенциал.
В связи с наступлением эры космической коммерциализации средства, вложенные в программу Canopy/Texas A&M, должны способствовать продвижению технологий для создания многоразовых космических аппаратов. Это сотрудничество представляет собой важный шаг в развитии космических технологий, направленных на создание более эффективных и экономически выгодных решений для будущих космических миссий.
Такой подход к разработке инновационных решений в области теплоизоляции космических аппаратов может стать ключевым фактором в развитии космической отрасли, делая космические полёты более доступными и экономически целесообразными.
Этот проект объединяет возможности Canopy Aerospace в области материаловедения с передовыми испытательными мощностями Техасского университета A&M и экспертизой исследователей в области гиперзвуковых технологий для преодоления существующих ограничений.
«Мы находимся в отличном положении, чтобы объединить экспертные знания в области аэродинамики и высокоскоростных испытаний для обеспечения успеха этого проекта», — говорит доктор Иветт Лейва, руководитель кафедры аэрокосмической инженерии.
Для эффективной работы такой системы транспирационного охлаждения материал корпуса космического корабля должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать экстремальные давления, но при этом пористым, чтобы охлаждающая жидкость могла «выделяться» через него. Canopy Aerospace уже разработала такой материал — 3D-печатный карбид кремния.
Команда готовится к испытаниям первых прототипов системы транспирационного охлаждения в аэродинамической трубе, используя Национальную лабораторию аэротермохимии и гиперзвуковых технологий Инженерной экспериментальной станции Техасского университета A&M. Это поможет им понять базовую физику их изобретения.
Если всё пройдёт успешно, Ифти и команда надеются увидеть «потные» космические корабли, отправляющиеся в космос в рамках продолжающихся исследований и коммерческой деятельности. Это может стать революционным прорывом в создании более безопасных и эффективных многоразовых космических аппаратов нового поколения.