NASA testuje tepelné štíty ve vysokorychlostním větrném tunelu, aby zlepšila jejich konstrukci
Tepelné štíty, které mají chránit lidi a užitečné zatížení při vstupu do atmosféry, používá NASA již od dob programu Apollo před více než 50 lety. Co se však stane, když části tepelného štítu při vstupu do atmosféry shoří, a jak to ovlivní jeho výkon? Výzkumníci NASA se to snaží zjistit.
Od roku 2016 bylo v aerodynamickém tunelu Mach 6 výzkumného střediska NASA v Langley testováno více než 100 keramických modelů různých konstrukcí tepelných štítů. Toto zařízení umožňuje testování při šestinásobku rychlosti zvuku, což představuje přibližně 7 400 kilometrů za hodinu na úrovni hladiny moře na Zemi – dostatečně rychle na to, abyste přeletěli Atlantik za pouhou jednu hodinu. K obnovení rychlosti větru Mach 6 se do komory přivádí suchý vzduch, který zvyšuje tlak na cílovou hodnotu a poté je urychlován zužujícími se tryskami na hypersonickou rychlost. Vzduch se řítí zkušební částí tunelu a přelétá přes jakýkoli model, který se v ní nachází. Když vzduch opouští zkušební sekci rozšiřujícími se tryskami, zpomaluje se a poté je odsáván vakuovou pumpou.
Toto testování je součástí projektu Modelování vstupních systémů v rámci programu NASA Game Changing Development Program, který vyvíjí nové přístupy ke zlepšení předpovědí tlakového a teplotního prostředí při vstupu do kosmické lodi a k simulaci reakcí systémů tepelného štítu na toto prostředí.
Keramické modely vyrobené v Langleyho modelářské dílně jsou pokryty termografickou fosforovou směsí – podobnou té, která se používala ve starých televizorech s katodovými trubicemi – která fluoreskuje nebo svítí pod ultrafialovým světlem. Pomocí unikátní techniky vyvinuté v Langley v 90. letech 20. století vědci měří světlo vycházející z modelu a korelují ho se změnami teploty, na jejichž základě mohou inženýři určit, jak horké byly různé části tepelného štítu během simulovaného vstupu do atmosféry.
Shromažďují se údaje o tom, jak drsnost modelů tepelného štítu – způsobená odhořením materiálu, mezerami mezi panely nebo materiálem použitým k vyplnění mezer mezi panely – ovlivňuje celkovou výkonnost tepelného štítu v různých prostředích a při různém zatížení.
„Cílem je lépe definovat rezervy, abychom nemuseli navrhovat nadměrně,“ řekl Brian Hollis, vedoucí testů Mach 6 pro ESM v Langley. „Tyto údaje nám spolu s letovými údaji z projektů, jako je měření Mars Entry, Descent, and Landing Instrumentation 2 na přistávacím modulu Mars 2020 při vstupu do atmosféry, pomohou snížit konstrukční rezervy, což může vést k úspoře hmotnosti a nákladů.“