NASA inženieri cīnās, lai izveidotu labāku siltuma vairogu

Helēnas Hvangas attēls Džesika Čū

Mēnešiem ilgi paraugi kūst. Tas nebija īsti pārsteidzoši — ar korķi pildītā stikla šķiedras šūnveida šūna tika pakļauta četras reizes spēcīgākam karstuma triecienam, nekā izturēja kosmosa kuģa priekšējā mala, atkārtoti ieejot Zemes atmosfērā. Tas bija tāpat kā pasaulē karstākās krāsns ievietošana tās jaudīgākā vēja tuneļa vidū.

Tie paši materiāli jau bija pasargājuši visus Amerikas iepriekšējos Marsa desantniekus no karstuma, ko radīja Marsa atmosfēra ar gandrīz 10 000 jūdžu (16 000 kilometru) stundā. Bet tas vairs nebija pietiekami labi. Marsa zinātnes laboratorijas (MSL) vairogam vajadzētu izturēt aptuveni 250 vatu enerģijas uz kvadrātcentimetru — apmēram 10 reizes lielāks karstums, ko piedzīvoja Vikings, Amerikas pirmais Marsa nolaižamais kuģis, kas pieskārās planētai 1976. gadā. Tas ir tāpēc, ka MSL, kuru plānots palaist 2009. gada augustā, būtu trīs reizes smagāks par Vikingu. Rover Curiosity, ko MSL nēsās, bija apmēram piecas reizes smagāks par Spirit un Opportunity roveriem, kas droši nolaidās uz Marsa 2004. gadā. MSL izmērs un svars nebija neatrisināmas problēmas. Taču datorsimulācijas parādīja, ka zondes milzīgais svars izraisīs spēcīgu turbulenci, kas novedīs pie smagākiem apstākļiem, nekā būtu izturējuši jebkuri iepriekšējie Marsa ieiešanas siltuma vairogi. Un, kad viņi pagrieza siltuma vairoga materiālu uz sāniem pret tuvojošos karstā gaisa plūsmu, lai modelētu turbulenci, šūnveida šūnas tajā sabruka, izraisot kļūmju ķēdes reakciju. Pārbaude izskatījās savādāk kā jebkad agrāk, atceras Helēna Hvanga, NASA Eimsas pētniecības centra Silīcija ielejā pētniece, kura tajā laikā bija atbildīga par MSL termiskās aizsardzības sistēmu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2019. gada jūlija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Pēc šīm neveiksmēm Hvanga komanda saskārās ar nopietnu laika trūkumu. Tas bija 2007. gads, un palaišana bija paredzēta mazāk nekā pēc diviem gadiem. Viņasprāt, bija divas iespējas: pārplānot misiju, lai mēģinātu samazināt apkures apstākļus, vai nākt klajā ar jaunu siltuma vairoga materiālu. Pirmā iespēja ierobežotu vietu, kur roveris varētu nolaisties un zinātniskos instrumentus, ko tas varētu nēsāt. Otrā iespēja nozīmēja, ka viņiem būs jāprojektē, jāizstrādā, jātestē un jāizbūvē jauns siltuma vairogs mazāk nekā 18 mēnešu laikā. Šī iespēja bija riskanta, taču tā ļautu misijai veikt visu zinātni, kas tai bija paredzēta.

Viņi izvēlējās otro iespēju.

Cilvēka ambīcijām augot kosmosā, mūsu atjautībai būs tām jāatbilst. Lai izpētītu planētu, piemēram, Veneras vai Saturna, blīvo atmosfēru, mums ir nepieciešami īpaši izturīgi siltuma vairogi, kas spēj izturēt intensīvu spiedienu. Lai Marsa paraugus nosūtītu atpakaļ uz Zemi, mums ir nepieciešami neiznīcināmi siltuma vairogi, kas neļaus jebkādām citplanētiešu dzīvības formām piesārņot mūsu planētu vai otrādi. Cilvēku nolaišanai uz citām planētām būs nepieciešami īpaši lieli aeroshells, ieejas kapsulas, kas aizsargātas ar siltuma vairogiem, kuru diametrs ir gandrīz 20 metri (66 pēdas) vai vairāk. Nekas līdzīgs šim mērogam nekad iepriekš nav lidots uz Marsu.

Šo tehnoloģiju izstrādes izaicinājumi būs milzīgi, taču tāpat būs arī ieguvumi, ja tās droši nogādās robotus un cilvēkus uz jaunām robežām. Bez visprogresīvākajiem aeroshelliem un siltuma vairogiem šādas misijas būs bezjēdzīgas — tās vienkārši sadegs atmosfērā.

Ja dodaties kosmosā, ir divi iemesli, lai palēninātu: atgriezties uz Zemes vai apstāties pie cita debess ķermeņa. Viens no veidiem, kā palēnināt, ir izmantot to pašu metodi, ko izmantojāt, lai paātrinātu: raķetes. Bet tas nozīmē pārvadāt vairāk raķešu degvielas, kas palielina svaru. Praktiski ir jēga izmantot atmosfēru, ja tāda ir. Bet, lai izdzīvotu no karstuma, ir nepieciešami gudri materiāli un gudras formas kosmosa kuģis.

Gudrās formas radās 1950. gados Eimsas pētniecības centrā, tajā pašā vietā, kur Hvangs vēlāk strādāja, lai izstrādātu MSL siltuma vairogu. Harijs Džulians Hārvijs Alens, kurš 1950. gadu sākumā vadīja Eimsa ātrgaitas izpētes nodaļu, izstrādāja tā saukto neaso korpusu, kam būtu plakana, plata mala, lai uzņemtos karstuma smagumu. Allens un kolēģis strādāja pie teorijas nākamā gada laikā. Viņi saprata, ka neass korpuss tā priekšā radīs spēcīgu triecienvilni, kas novirza lielu daļu siltuma prom no transportlīdzekļa. Pēc tam viņi salika otru puzles daļu: ablāciju. Tas nozīmē izmantot materiālus, kas ir paredzēti, lai sadalītos un erodētu iebraucot, radot pārogļotu slāni, kas efektīvi atgrūž siltumu no transportlīdzekļa.

Neasa korpusa koncepcija sākotnēji tika uztverta ar skepsi, un tā palika klasificēta līdz 1957. gadam. Taču līdz 1961. gada maijam, kad Alans Šepards kļuva par pirmo amerikāni, kurš apmeklēja kosmosu, viņa Friendship 7 kapsula izmantoja konisku neasu seju, lai droši atgrieztos uz Zemes.

Apollo programmas dēļ 60. gados jauni ablācijas materiāli bija ļoti aktīva pētniecības joma. Attiecībā uz Apollo NASA vērsās pie uzņēmuma Avco, kas specializējās tāla darbības rādiusa raķešu kaujas galviņu materiālos. 2,7 collu biezs Avcoat slānis, karstumizturīgs materiāls, kas izgatavots no epoksīda sveķiem stikla šķiedras matricā, absorbēja vissliktāko karstumu, kad Apollo atgriežas.

HEEET ir paredzēts iekļūšanai ekstrēmās vidēs, piemēram, Saturnā vai Neptūnā. Džesika Čū

Vikingu misijām, kas 1970. gados palaida pirmos veiksmīgos Marsa desantniekus, NASA izmantoja jaunu materiālu ar nosaukumu SLA-561V. Tāpat kā Avcoat, arī SLA (īpaši vieglam ablatoram) pamatā ir šūnveida struktūra, kas piepildīta ar ablācijas sveķu daļiņām. Taču uzņēmuma Martin Marietta inženieri, kas izstrādāja materiālu, integrēja arī vieglākas sastāvdaļas, piemēram, silīciju un korķi, lai samazinātu tā blīvumu.

Kosmosa kuģiem, kas pirmo reizi tika palaisti 1980. gados, bija nepieciešama pilnīgi jauna pieeja. Atspoles bija paredzētas atkārtoti lietojamām, un tas attiecās arī uz siltuma vairogiem. Tādas vielas kā SLA vietā atspoles tika aizsargātas ar pastiprinātu oglekļa-oglekli uz deguna vāciņa un spārnu priekšējām malām, kā arī ar keramikas flīzēm uz vēdera.

Hvangs, kurš uzauga mazā pilsētiņā Aiovas štatā, atceras, kā skolas prezentācijā rīkojās ar kosmosa kuģa flīzi. Pieredze radīja vēlmi kādu dienu strādāt pie siltuma vairoga tehnoloģijām. Pēc doktora grāda iegūšanas plazmas fizikā Ilinoisas Universitātē, Urbana-Šampenā, viņa ieņēma darbu Eimsas pētniecības centrā, taču tajā nebija nekāda sakara ar siltuma vairogiem. Vairākus gadus viņa strādāja pie plazmas izmantošanas, lai kodinātu shēmas mikroshēmās. Kad finansējums pietrūka, viņa pārgāja uz siltuma vairogiem, realizējot savas bērnības ambīcijas.

Kad Hvangai 2006. gadā tika dots uzdevums izveidot siltuma vairogu MSL projektam, viņa sākotnēji vērsās pie SLA. Taču diezgan ātri kļuva skaidrs, ka SLA nedarbosies. Mēs nekad īsti nevarējām izolēt, kas izraisīja neveiksmi, saka Hvangs, taču neveiksme bija atkārtojama; mēs pārbaudījām daudzās dažādās telpās, un mēs redzējām vienu un to pašu kļūmi dažādos apstākļos.

Tomēr nebija daudz citu iespēju. Vienīgā dzīvotspējīgā izvēle bija kaut kas, ko sauc par fenolu piesūcinātu oglekļa ablatoru (PICA), kas tika izstrādāts Eimsā 90. gados Stardust misijai — pirmais, kas atgrieza paraugus no komētas, un visātrākā atmosfēras atgriešanās vēsturē. Stardust bija izmantojis vienu nepārtrauktu PICA gabalu, taču MSL bija pārāk liels, lai šī pieeja būtu praktiska. Tā vietā viņiem bija jāizveido materiāla flīzes un jākonstruē Marsa zonde, lai ar tām tiktu pārklāta, darot to tādā veidā, kas neļāva gāzes plūsmai plūst pa potenciāli neaizsargātajām šuvēm starp flīzēm. Tas bija pirmais flīzētais ablatīvais siltuma vairogs un lielākais aeroshell, kāds jebkad ir lidojis. (To pašu risinājumu tagad izmanto SpaceX savai Dragon kapsulai. NASA aizdeva Denu Rasky, vienu no PICA dizaineriem no Ames, uzņēmumam SpaceX, lai palīdzētu izstrādāt Dragon siltuma vairoga materiālu, kas pazīstams kā PICA-X.)

Es vēlos izpētīt mūsu Saules sistēmu. Mēs esam bijuši tikai dažos galamērķos. Es gribu iet uz viņiem visiem.

Tuvojoties MSL palaišanas termiņam, Hvanga un viņas komanda izspridzināja PICA paraugus Arc Jet kompleksā Eimsā, uzlabojot izpratni par materiālu un spraugu aizpildītājiem ar katru jaunu testu. Viņi pilnveidoja savu vairogu laicīgi pirms 2009. gada palaišanas — tikai tāpēc, lai redzētu, ka misija tika atlikta līdz 2011. gadam, lai pārliecinātos, ka citas sistēmas ir gatavas. MSL galu galā nolaidās uz Marsa 2012. gada augustā. Curiosity joprojām darbojas uz Marsa, un tā ir bijusi tik veiksmīga, ka NASA tagad izstrādā citu misiju — Marsa 2020. gadu, kuras pamatā ir līdzīga konstrukcija. Hvanga ir atkārtoti izpildījusi savu lomu, pārvaldot termiskās aizsardzības sistēmu, kas atkal izmantos PICA, lai aizsargātu kosmosa kuģi, kad tas 2021. gada sākumā nolaižas uz Marsu.

Džesika Čū

Viens no Mars 2020 rovera svarīgākajiem pienākumiem būs savākt paraugus, kurus kādu dienu kāds nākamais nolaižamais aparāts var ar raķetēm nogādāt atpakaļ uz Zemi. Pat tad, kad zinātnieki mācās, kā nolaist nākamās paaudzes kosmosa kuģus citās pasaulēs, viņi arī izstrādā, kā uz Zemi atgriezt vilinošu citplanētiešu vidi.

Ja cilvēki vēlas nolaisties uz Marsa, tam būs nepieciešami siltuma vairogi, kas vismaz četras reizes pārsniedz diametru uz MSL. Tāpēc NASA tagad izstrādā koncepcijas paplašināmiem aeroshellām, kuras var ievietot nesējraķetes apvalkā un izvietot lielākā vairogā kosmosā. Liela daļa šī darba tiek veikta NASA Langley pētniecības centrā Virdžīnijā. 2012. gada 23. jūlija rītā no NASA Wallops Flight Facility pāri Česapīka līcim no Lenglijas, Virdžīnijas austrumu krastā, uzspridzināja raķete. Raķetei bija izbīdāms aeroshell, kas pazīstams kā hiperskaņas piepūšamais aerodinamiskais palēninātājs (HIAD), plats, sekls konuss, kas sastāv no piepūšamas virtuļa formas cauruļu struktūras. HIAD diametrs bija mazāks par pusmetru, bet, nonākot kosmosā, tas izvērsās līdz trīs metriem. Padarot vairogu plašāku, atgriešanās siltums tiek izplatīts lielākā teritorijā.

Raķete pacēlās 290 jūdzes uz augšu — krietni virs kosmosa robežas, un tad HIAD uzpūtās līdz pilnam izmēram. Borta kameras fiksēja skatu uz Atlantijas okeānu, struktūrai nokrītot cauri atmosfērai. HIAD koncepcija šajos lidojuma testos ir veikusi labus rezultātus, taču daži cilvēki joprojām atsakās no idejas aizsargāt Marsā esošos astronautus ar uzspridzināmu aerosoli. Daudzi cilvēki saka: “Ak, jums ir piepūšama konstrukcija — tā salocīsies kā baseina rotaļlieta,” saka Roberts Dilmens, Lenglijas aviācijas un kosmosa inženieris un HIAD komandas loceklis. Šī lieta ir diezgan stabila. Tas zvana, kad tam pieskaraties.

Lielāki aeroshells virza triecienviļņus tālāk no kosmosa kuģa, nodrošinot lielāku aizsardzību pret iekļūšanu karstumā. Atlikušo siltumu novērš elastīga termiskās aizsardzības sistēma, kas pārklāj piepūšamo konstrukciju ar izturīgiem ārējiem audumiem un izolāciju.

Nākamais plānotais HIAD sasniegs zemo Zemes orbītu un paplašināsies līdz sešiem metriem. Taču šīs piepūšamās koncepcijas nav vienīgie izvēršamie aeroshells darbos. Ames komanda izstrādā salokāmu vairogu ar nosaukumu Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Izgatavots no elastīgām 3D austām oglekļa šķiedrām, vairogs atveras kā lietussargs, un to stabili notur metāla statņi.

Hvangs ir iesaistīts arī tādas tehnoloģijas izstrādē, ko sauc par karstuma vairogu ekstrēmas ieejas vides tehnoloģijai (HEEET), kas varētu uzņemt misijas uz Venēru, Saturnu, Urānu un Neptūnu. HEEET ir daudz izturīgāks par PICA un SLA-561V, un tādējādi labāk piemērots blīvai atmosfērai. Tradicionāli katrai misijai ir bijis unikāls siltuma vairogs, taču tas padara lietas dārgākas. Hvangs cer panākt apjomradītus ietaupījumus — sava veida Ford modeļa T atgriešanos tirgū.

Es vēlos izpētīt mūsu Saules sistēmu, viņa saka. Mēs esam bijuši tikai dažos galamērķos. Es gribu iet uz viņiem visiem.

Bekija Fereira ir zinātnes reportiere, kas strādā Itakā, Ņujorkā. Viņas darbi ir parādījušies Wired un New York Times.

paslēpties