Hybrydowe osłony ablacyjne/ceramiczne chronią statek kosmiczny podczas wejścia w atmosferę
Obciążenia cieplne są znacznie większe na przykład w przypadku misji mających na celu dostarczenie próbek z innych ciał niebieskich z powrotem na Ziemię czy też podczas wejścia w atmosferę gazowych gigantów, takich jak Jowisz, niż w przypadku powrotu z niskiej orbity okołoziemskiej. Misje takie są zasadniczo trudne w realizacji, a szczególnie ważnym czynnikiem jest w ich przypadku masa statku kosmicznego. Materiały ablacyjne, mające spalać się w sposób kontrolowany, są obiecującym rozwiązaniem, jeżeli chodzi o budowę osłon termicznych dla statków kosmicznych. Od lat 80. ubiegłego wieku prowadzono w Europie bardzo niewiele badań nad tymi materiałami. Obecnie w pracach takich dostrzega się także możliwość uniezależnienia się od innych krajów w zakresie ważnej technologii kosmicznej. W tym kontekście naukowcy rozpoczęli realizację projektu HYDRA (Hybrid ablative development for re-entry in planetary atmospheric thermal protection), finansowanego ze środków UE. Celem było opracowanie innowacyjnego systemu TPS, łączącego w sobie materiały ablacyjne oraz materiały nadające się do ponownego wykorzystania, odznaczające się lepszymi parametrami niż tradycyjnie stosowane tworzywa węglowo-fenolowe. Nowy system składa się z ablacyjnej osłony zewnętrznej o zwiększonej wytrzymałości cieplnej oraz lekkiego szkieletu termiczno-konstrukcyjnego, wykonanego z materiałów kompozytowych o osnowie ceramicznej (CMC). Ta hybrydowa konstrukcja pozwoliła poprawić ochronę termiczną i odporność na korozję, jak również amortyzację wstrząsów i odporność na uszkodzenia. Uczestnicy projektu HYDRA wybrali misje obejmujące powrót na Ziemię jako punkt wyjścia dla opracowania specyfikacji hybrydowego systemu TPS. Zbudowano matrycę nowoczesnych materiałów ablacyjnych, uwzględniając kryteria wydajności wybrane spośród najważniejszych specyfikacji, przy czym szczególną uwagę poświęcono Międzynarodowym Przepisom w zakresie Obrotu Bronią (ITAR) rządu USA. Do budowy osłony wybrano dwa różne materiały: grafitowy filc impregnowany żywicą fenolową oraz zaawansowany materiał kompozytowy na bazie korka. Wybrano także materiały CMC. Po wstępnym przeanalizowaniu wszystkich materiałów, wybrane tworzywa poddano dokładnym testom w celu scharakteryzowania ich reakcji na wstrząsy termiczne, ekstremalne utlenianie i drgania. Ponadto opracowano modele teoretyczne, które pomogły w zaprojektowaniu osłony termicznej dla kapsuły powrotnej przypominającej tę wykorzystaną w programie Apollo. Wykorzystano w niej nie tylko podwójną warstwę wierzchnią, ale również izolator, oddzielający konstrukcję spodnią od hybrydowego systemu TPS. Rozwiązanie to ma około 40% mniejszą masę w porównaniu z tradycyjnym autonomicznym systemem ablacyjnym. System hybrydowy opracowany w ramach projektu HYDRA umożliwi zmniejszenie masy oraz jednoczesne zwiększenie limitu temperatur. Powinien on sprostać wymaganiom przyszłych misji kosmicznych, a jednocześnie umożliwić uniezależnienie się europejskiego przemysłu kosmicznego od obcych technologii.
Słowa kluczowe
Wejście w atmosferę, osłony termiczne, materiały ablacyjne, kompozyty z osnową ceramiczną, przemysł kosmiczny
