Тепловой экран
В космических путешествиях тепловой экран представляет собой слой на космическом корабле , предназначенный для защиты его от тепла, выделяемого при входе в атмосферу . Основное развитие имело место в начале холодной войны - ядерные взрывные устройства должны пережить возвращение . Для высоко ускоряющихся ракет, таких как американская противоракетная ракета Sprint и гиперзвуковые ракеты, также требуется тепловой экран.
Основы
Когда атмосфера входит , космический корабль сильно замедляется окружающей атмосферой. При этом атмосфера в фронте ударной волны перед кораблем очень сильно нагревается из-за сжатия, а значит, и космический корабль. В 1950-х годах было обнаружено, что тупое тело и волна, которую оно генерирует, рассеивают возникающее тепло лучше, чем тело аэродинамической формы; однако такой космический корабль сгорел бы без теплозащитного экрана . Как правило, посадочные капсулы пилотируемых космических кораблей , шаттлов и космических зондов, которые приземляются на планету или Луну с плотной атмосферой, снабжены тепловым экраном для защиты.
К материалу теплозащитного экрана предъявляются огромные требования, так как он должен выдерживать температуру до нескольких тысяч градусов по Цельсию . Тепловой экран, с одной стороны, позволяет эффективно рассеивать тепло, поглощенное от фронта ударной волны, в окружающую среду, а с другой стороны, благодаря низкой теплопроводности космического корабля и его полезной нагрузки z. Б. Космонавты и оборудование, беречь от жары.
Многоразовые тепловые экраны
Многоразовые теплозащитные экраны , такие как плитки теплозащиты на космических челноках , как правило , состоят из высокопористых стекловолоконных материалов , соединенных посредством спекания с плотным, хрупким , жаростойким тонкими покровным слоем ( боросиликатный ).
Части теплозащитного экрана космического челнока, которые подвергаются особым нагрузкам, такие как передняя кромка крыла, изготовлены из углепластика, армированного углеродным волокном (CFC).
Одноразовые тепловые экраны
В эту категорию входят абляционные теплозащитные экраны или абляционные тепловые экраны TPS ( англ. Thermal Protection System ). Абляционные тепловые экраны (от латинского ablatus , «забираемый») имеют две задачи: с одной стороны, они должны защищать системы от высоких температур при входе в атмосферу, а с другой стороны, расплавленный и испаренный материал уносится поток должен охладиться. При этом типе (абляционного) охлаждения используется физический эффект фазового перехода , при котором энергия поглощается фазовым переходом материала. Изначально абляционный тепловой экран был разработан для головок МБР .
Аблативные тепловые экраны были использованы в космических аппаратов , таких как американский Apollo и используются в России космических кораблей Союз , на спускаемых в гиперзвуковых летательных аппаратов , таких как X-15 , а также в МБР .
Такой теплозащитный экран состоит из пробки или композитных материалов из стекловолокна и / или пенопласта ( полистирола ) на несущей конструкции (обычно из алюминиевого сплава ). Существуют также абляционные теплозащитные экраны из синтетической смолы, которая трудно плавиться и испаряться. Это покрытие пиролизируется и сублимируется, когда атмосфера попадает в окружающую плазму . Закоптелый нагруженный пограничный слой препятствует лучистый перенос тепла из плазмы ударного фронта на поверхность теплового экрана. Его пористая обугленная корка представляет собой дополнительный барьер.Кроме того, проникающее тепло частично расходуется на эндотермические реакции (разрыв химических связей, испарение) и частично переносится обратно наружу с газом ( абляционное охлаждение ). Тепло, которое, тем не менее, проникает через тепловой экран, распределяется конструкционным материалом с высокой теплопроводностью таким образом, что не возникает вредных высоких температур.
Идея абляционного теплозащитного экрана возникла при разработке рулевых поверхностей в реактивных двигателях ракетных двигателей . Абляционное охлаждение до сих пор используется в соплах недорогих или небольших ракетных двигателей. Для этого внутренняя поверхность камеры сгорания или сопла двигателя облицована слоем материала (например, графита , вольфрама , молибдена или ниобия ), который испаряется только при высоких температурах . Был использован Этот пассивный метод охлаждения, например, в двигателе Merlin из в Фалькон 1 ракеты и в AJ-118 Delta II верхней ступени; Это по - прежнему используется на РС-68 первой ступени двигателем Delta IV Heavy и на РД-58 в блок D / DM на Proton .
Абляционный тепловой экран атмосферной капсулы, выброшенного дочернего зонда космического зонда Галилео , должен был пережить вход в атмосферу с самой большой на сегодняшний день нагрузкой, когда он вошел в атмосферу Юпитера 7 декабря 1995 года на скорости около 170 000 км / ч. (47 км / с). Газ во фронте ударной волны нагрелся до 16 000 К (примерно 15 700 ° C ), и тепловой экран должен был выдерживать плотность теплового потока 43 кВт / см². Таким образом, тепловой экран составлял около 43% веса иммерсионной капсулы, и около двух третей его веса сгорели и испарились при входе в атмосферу Юпитера.
литература
- Т. А. Хеппенгеймер: Лицом к тепловому барьеру: история гиперсоники. Часть 1 (PDF; 1 МБ). и Часть 2. (PDF; 496 kB). Серия истории НАСА, 2006 г.
- Франк С. Милос и др.: Обновленная программа абляции и теплового отклика для анализа теплозащиты космических аппаратов. (PDF; 4,2 МБ). 17-й семинар по термическому анализу и анализу жидкости, Мэриленд, 2006 г.
веб ссылки
- Система тепловой защиты челнока (TPS )
- SHEFEX: Теплозащитный экран с углами и краями.
- Буран: тепловой экран. (Английский)
Индивидуальные доказательства
- ↑ Free Science Experiment - Combustion - Air Pressure, Friction, Speed and Heat (английский).
- ^ Дж. Хансен: ответственный инженер: история авиационной лаборатории Лэнгли, 1917-1958. Серия истории НАСА, том sp-4305, глава 12: Гиперсоника и переход в космос; Типография правительства США, 1987, ISBN 0-318-23455-6 .
- ↑ Райан Грэбоу: Абляционная тепловая защита для повторного входа космического корабля. (PDF) (Больше не доступно в Интернете.) 7 декабря 2006 г., ранее в оригинале ; Доступ к 6 ноября 2011 года . ( Страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )
- ↑ Бернд Лейтенбергер: ракетные двигатели.
- ↑ Бернд Лейтенбергер: Атмосферный зонд Галилео. Проверено 27 апреля 2011 года .