Моделирование 4D раскрыло уязвимость тепловой защиты космических кораблей

Экспериментальное исследование и машинное 4D-моделирование раскрыли риск глубокой деформации в теплозащите космических кораблей, что может вести к катастрофическим последствиям во время возвращения на Землю.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Чтобы космический корабль не сгорел при входе в атмосферу Земли, внешняя поверхность его теплозащитного экрана жертвует собой ради защиты остальной части корабля. Углеродные волокна разлагаются, рассеивая тепло. Предполагалось, что это происходит только на поверхности экрана, но в недавнем исследовании ученые из Инженерного колледжа Грейнджера, Иллинойского университета в Урбане-Шампейне и их коллеги еще в четырех научных организациях из разных стран получили новую информацию о том, как защитный материал из углеродного волокна эволюционирует не только на поверхности, но и под ней. В глубине защитного слоя может произойти разрушение конструкции, что ставит под угрозу срок службы и безопасность многоразовых летательных аппаратов. Не исключено что непредвиденно глубокое разрушение теплового экрана представит угрозу и для возвращающегося на Землю одноразового модуля, в том числе с экипажем.

По словам специалиста по аэрокосмической технике Бена Рингеля, сыгравшего ключевую роль в исследовании, структурная целостность теплозащитного экрана может быть значительно нарушена при определенных условиях. Глубокая деформация может привести к отрыву больших кусков материала, что приводит к более быстрому разрушению всей системы теплозащиты.

Окисление углеродного волокна — неизбежный процесс в теплозащите. Он является одним из наиболее изученных в материаловедении, и его теория хорошо разработана. Но в итоге довольно сложного в исполнении эксперимента инженеры впервые смогли увидеть теорию в действии, причем с неожиданными нюансами.

Ученые из лаборатории Berkeley Lab Advanced Light Source провели эксперименты в Институте Пауля Шерера в Швейцарии. Они использовали широкополосный излучатель TOMCAT (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology experimentTs) — специализированную установку, где динамические процессы можно отслеживать в пространстве и времени с помощью сверхчувствительных камер и детекторов. Они позволяют фиксировать структуры микронного масштаба с субсекундным временным разрешением.

Ученые подвергли небольшие образцы абляционного углеродного волокнистого материала нагреванию вкупе с рентгеновским излучением TOMCAT, имитируя воздействие на корабль во время входа в атмосферу. В итоге были собраны серии трехмерных изображений образца в процессе его вращения и реакции с кислородом.

Участники эксперимента отмечают невероятный уровень детализации, обеспечиваемый TOMCAT. Они смогли наблюдать абляцию волокон с разрешением, которого раньше не видели. Бену Рингелю передали около 19 терабайт необработанных данных, и он начал их анализ.

После распаковки данных ученый применил алгоритм глубокого машинного обучения для их сегментации, выделив на изображениях буквально каждое волокно теплозащитного материала. В итоге сформировалось понимание того, насколько легко кислород проникает через материал и насколько быстро он реагирует с углеродными волокнами.

Количество кислорода, доступного для реакции с углеродом, на большой высоте ограничено. При высоких температурах реакции протекают быстро, и кислород не успевает глубоко проникнуть в материал. Но с понижением температуры реакции замедляются, давая кислороду время просочиться вглубь, что приводит к ослаблению волокон по всему объему термозащитного экрана.

Ученые зафиксировали это явление, визуализировали и количественно оценили глубину протекания реакций в материале, с учетом температуры и давления на разных высотах. Численные данные, полученные машиной на основе изображений, коррелировали с тем, что люди видели на образцах вживую.

Второй этап анализа проводился в тесном сотрудничестве с Исследовательским центром Эймса NASA. Рингель и его коллеги использовали программное обеспечение NASA для анализа пористой микроструктуры на суперкомпьютере Национального научного центра энергетических исследований для проведения более 1600 симуляций свойств материалов.

Машина анализировала изменяющиеся трехмерные изображения, предоставляя информацию о свойствах материала с микросекундным разрешением — то есть фактически в формате 4D. Ученые также разработали новый метод расчета свойств материала во времени и пространстве. Это позволило в динамике увидеть, как свойства изменяются по всему материалу теплозащитного экрана при различных режимах диффузии кислорода и темпах реакции окисления.

Наши измерения помогут другим исследователям теплозащиты проверить и усовершенствовать свои модели абляции, которые затем применяются в многоразовых летательных аппаратах. Благодаря более глубокому пониманию того, как конкуренция диффузии и реакции влияет на деградацию теплового экрана в процессе полета, открывается захватывающий мир инновационной инженерии. Эти знания позволяют разрабатывать передовые производственные подходы, в том числе печать тепловых экранов на 3D-принтере с точно спроектированными внутренними структурами, разработанными с учетом особых условий гиперзвукового входа в атмосферу.Бен Рингельисследователь

Температура в пару тысяч градусов при посадке космических кораблей по галактическим меркам далека от экстремальной. Недавние наблюдения российского радиотелескопа за далекой галактикой показали, что температура в релятивистской струе тамошней двойной черной дыры достигает нескольких триллионов кельвинов.

Поделиться