Дым поднимался над материалом теплозащитного экрана НАСА во время недавнего испытания в Национальном испытательном центре солнечной тепловой энергии Национальной лаборатории Сандия. Фото предоставлено: Крейг Фриц / Национальные лаборатории Сандии.
На протяжении десятилетий Национальный центр испытаний солнечной температуры Национальной лаборатории Сандии использовал энергию Солнца для воздействия на аэрокосмические материалы сильным нагревом, воспроизводя суровые условия сверхзвукового полета и входа в атмосферу, чтобы гарантировать, что материалы защищают воздух. Остальная часть транспортного средства . Последнее из этих испытаний предназначено для поддержки двух захватывающих миссий НАСА.
Амбициозная кампания по возвращению образцов с Марса, программа которой в настоящее время проходит полный обзор, представляет собой миссию НАСА и Европейского космического агентства, направленную на доставку марсианских камней нетерпеливым земным ученым. Эти образцы могут дать подсказку о том, существовала ли когда-либо жизнь на Красной планете, и помочь подготовиться к исследованию Марса человеком.
В случае выбора сегмент посадочного модуля для извлечения образцов этой миссии доставит на Марс самую тяжелую полезную нагрузку, когда-либо существовавшую, включая ракету, предназначенную для доставки контейнера с тщательно отобранными образцами на орбиту Марса. Недавно инженеры НАСА протестировали материалы теплозащиты для марсианского спускаемого аппарата в Сандии.
«Это будет первая миссия по возвращению камней с Марса на Землю; у него большая полезная нагрузка», — сказал Кен Армихо, инженер Sandia и руководитель испытаний НАСА. «Чем тяжелее полезная нагрузка и больше входное транспортное средство, тем горячее транспортное средство будет при входе в атмосферу и тем лучше должен быть тепловой экран».
Испытательные мощности
Что делает испытательный центр солнечной энергии в Сандии особенным, так это его способность тестировать образцы материалов шириной до 3 футов, продувая образцы различными газами, чтобы имитировать атмосферу разных миров, сказал Армихо. Для этого он использует солнечный свет, фокусируемый сотнями зеркальных гелиостатов, а не энергопожирающие дуговые лучи или лазеры — два других метода тестирования материалов на возможность повторного входа в атмосферу. Это может сэкономить от 15 до 60 000 кВт на одно испытание, что эквивалентно использованию от 5 до 20 000 сушильных барабанов в течение всего испытания.
Испытательный комплекс солнечной энергии Сандии включает в себя энергетическую башню высотой 200 футов с массивом из 212 зеркальных гелиостатов.
«У нас высокий поток и высокое распределение потока на солнечной башне», — сказал Армихо. «Если бы мы захотели, мы могли бы разместить там целые части самолета и освещать их концентрированным солнечным светом. Высокий поток радиации, испытываемый при входе в атмосферу и гиперзвуковом полете, — это лишь часть того, что мы можем смоделировать».
Поток представляет собой количество света или энергии, попадающее на определенную область, часто по сравнению с количеством солнечного света, попадающего на пляжное полотенце в солнечный день. Солнечная испытательная установка Сандии действует как гигантская лупа и может концентрировать солнечный свет в 3500 раз больше этого количества света.
Армихо пояснил, что дуговое тестирование стоит до 100 000 долларов в день, лазерное тестирование стоит примерно 150 000 долларов в день, а тестирование солнечной башни стоит около 25 000 долларов в день. Еще одним преимуществом является возможность сосредоточить больше гелиостатов на исследуемом материале и изменить интенсивность солнечного света, чтобы имитировать фазы входа или даже условия входа в атмосферу различных небесных тел, добавил он.
«Обычно миссии НАСА тестируют свои материалы теплозащитных экранов на нескольких различных объектах с разными возможностями, прежде чем сертифицировать материал для полета», — сказал Брэндон Смит, ведущий инженер по материалам теплозащитного экрана для посадочного модуля для отбора образцов в Лаборатории реактивного движения НАСА. «Способность Sandia проводить испытания такого масштаба значительно дополняет другие наши испытательные центры».
Инженер по материалам НАСА Милад Махзари (спереди) и руководитель проекта НАСА Кейт Петерсон исследуют поток газа вокруг теплового экрана во время испытаний в декабре 2023 года в Национальных лабораториях Сандии. Фото предоставлено: Крейг Фриц / Национальные лаборатории Сандии.
Испытания материалов для Марса и за его пределами
Во время испытаний НАСА осенью и зимой 2023 года инженеры протестировали образцы материала шириной 2 фута, разработанного в Исследовательском центре Эймса НАСА. Тепловые экраны как для посадочного модуля для сбора образцов с Марса, так и для миссии на Титане Dragonfly спроектированы так, чтобы быть изготовленными из этого материала, называемого аблятором из фенольного импрегнированного углерода. Этот материал успешно использовался в качестве теплового экрана для миссий НАСА «Звездная пыль», «Марсианская научная лаборатория», «Марс 2020» и миссий OSIRIS-REx.
Испытания возглавил Кейт Петерсон, ученый-материаловед из Исследовательского центра Эймса НАСА. Он сказал, что другие методы тестирования материалов на возможность повторного проникновения ограничиваются меньшими образцами диаметром всего 20 дюймов. Поскольку испытательная установка на солнечной энергии может тестировать более крупные образцы материала, НАСА могло бы тестировать слегка изогнутые образцы материала, чтобы имитировать физическое напряжение, которое космический корабль будет испытывать при входе в атмосферу, и изучать механизмы, которые видны только на больших масштабах длины, добавил Петерсон.
Dragonfly — робот, похожий на вертолет, который летает к крупнейшему спутнику Сатурна, Титану, и в настоящее время разрабатывается в Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса. Как только винтокрылый аппарат достигнет Титана, он будет предназначен для выполнения нескольких миссий по поиску химических процессов, которые происходили как на Титане, так и на очень ранней Земле до появления жизни. Титан может содержать подсказки о том, как могла зародиться жизнь на нашей планете. Однако, поскольку атмосфера в четыре раза плотнее земной, Титан сталкивается с собственными проблемами, особенно когда речь идет о строительстве теплового экрана для космического корабля, который сможет летать через богатую метаном атмосферу и нести винтокрылый аппарат.
Чтобы имитировать тепловые процессы проникновения атмосферы в бедные кислородом атмосферы Марса и Титана, исследователи продувают газообразный азот над образцом теплозащитного экрана. По словам Армихо, недавно Сандия проложила газопровод от основания электробашни до ее вершины. Газопровод чем-то похож на садовый шланг и подает газ под высоким давлением там, где происходит испытание материала.
Инженер Sandia National Laboratories Аарон Оверакер (слева) и инженеры НАСА Оуэн Нишиока, Кейт Петерсон и Милад Махзари (крайний справа) покрывают материал теплозащитного экрана после испытаний в декабре 2023 года в Sandia National Laboratories. Это позволяет материалу охлаждаться в среде с низким содержанием кислорода. Фото предоставлено: Крейг Фриц / Национальные лаборатории Сандии.
Технолог-механик Sandia Дэниел Рэй отвечал за установку газопровода и устранение любых проблем, возникших во время испытаний. Он является главным сварщиком и производителем солнечной испытательной системы.
«Моя работа над любым проектом — заставить его работать», — сказал Рэй. «Во время первоначального испытания у НАСА возникла проблема с возгоранием защитного углеродного войлока. На следующее утро я сделал несколько керамических экранов, чтобы лучше проводить азот и защитить тестовую систему, и это сработало».
Обжигающая солнечная рогатка
В 2022 году исследователи из Лаборатории прикладной физики протестировали прототип теплообменника, предназначенного для движения ракеты вокруг Солнца. Они подвергли прототип воздействию сильного солнечного потока на солнечной башне.
Целью этих новых типов аэрокосмических теплозащитных экранов является защита и питание будущих космических кораблей типа «Вояджер», когда они будут облетать Солнце и лететь в межзвездное пространство, сказал Армихо. Если космические корабли подлетят ближе к Солнцу, они смогут достичь скорости, в три или четыре раза превышающей скорость «Вояджера-1», говорит Джессика Харсоно, инженер-механик APL и руководитель этого проекта.
Джессика Харсоно (справа), инженер-механик из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса, готовит испытательный образец для установки на крепление солнечной башни Sandia National Laboratories во время испытаний в сентябре 2022 года. Фото предоставлено: Крейг Фриц / Национальные лаборатории Сандии.
Исследователи APL смогли протестировать свой прототип теплообменника в течение 10 минут при свете 2000 солнц. По словам Харсоно, во время испытаний прототип достиг температуры более 3100 градусов по Фаренгейту и остался неповрежденным и работоспособным, продемонстрировав способность теплообменника выдерживать использование по назначению. Исследователи также протестировали несколько возможных покрытий для теплозащитных материалов.
По словам Армихо, это не первый раз, когда исследователи APL тестируют аэрокосмические подсистемы на солнечном испытательном полигоне Сандии. Фактически, первые испытания APL начались в мае 1979 года, когда испытательной установке солнечной энергии, спроектированной и введенной в эксплуатацию для энергетических исследований, было меньше года.
Исследователи APL вернулись в 2000 году, чтобы протестировать радарные купола, называемые обтекателями. Исследователи НАСА ранее тестировали плитки космических кораблей, датчики и системы связи, чтобы проверить, будут ли они работать при входе в атмосферу. Центр также участвовал в испытаниях носовых обтекателей космических кораблей и самолетов ВВС, а также в тестировании устойчивости аэрокосмических материалов к быстрым изменениям температуры.
«Благодаря этому появилось множество замечательных проектов, потому что, по сути, мы нашли способ настроить нашу способность включать и выключать гелиостаты и регулировать распространение сфокусированных лучей, чтобы мы могли со временем приспосабливать профиль потока к «мировым условиям полета». », — сказал Армихо.
«Поскольку мы можем набирать профили, у нас больше уверенности в том, что он выживет и будет хорошо работать во время миссии. Важно быть уверенным, что он достигнет Марса, приземлится и благополучно подберет камни».
Информация от: Национальными лабораториями Сандии.
