Das Konzept des sich drehenden Hitzeschilds könnte eine leichte Möglichkeit bieten, den atmosphärischen Wiedereintritt zu überleben

Einer der schwierigeren Aspekte der Weltraumforschung und des Raumfahrzeugdesigns ist die Planung des Wiedereintritts. Selbst bei Planeten mit dünner Atmosphäre wie dem Mars ist bekannt, dass der Eintritt in die Atmosphäre eines Planeten viel Wärme und Reibung verursacht. Aus diesem Grund wurden Raumfahrzeuge seit jeher mit Hitzeschilden ausgestattet, um diese Energie zu absorbieren und sicherzustellen, dass die Raumschiffe beim Wiedereintritt nicht abstürzen oder verbrennen.

Leider müssen sich gegenwärtige Raumfahrzeuge auf riesige aufblasbare oder mechanisch entfaltete Schilde verlassen, die oft schwer und kompliziert zu verwenden sind. Um dieses Problem anzugehen, hat ein Doktorand der University of Manchester ein Prototyp für einen Hitzeschild die auf Zentrifugalkräften beruhen würde, um flexible, leichte Materialien zu versteifen. Dieser Prototyp, der erste seiner Art, könnte die Kosten der Raumfahrt senken und zukünftige Missionen zum Mars erleichtern.

Das Konzept wurde von Rui Wu, einem Doktoranden aus Manchester, vorgeschlagen Fakultät für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und Bauingenieurwesen (MORGENSTERN). Er wurde von Peter C.E. Roberts und Carl Driver – einem Senior Lecturer in Spacecraft Engineering bzw. einem Lecturer bei MACE – und Constantinos Soutis von . unterstützt Das Luft- und Raumfahrtforschungsinstitut der Universität Manchester .

Der Prototyp eines Hitzeschildes in CubeSat-Größe, der vom Team der University of Manchester entwickelt wurde. Kredit: Universität Manchester

Um es einfach auszudrücken, Planeten mit Atmosphären ermöglichen es Raumfahrzeugen, den aerodynamischen Widerstand zu nutzen, um sich in Vorbereitung auf die Landung zu verlangsamen. Bei diesem Vorgang entsteht eine enorme Hitze. Im Fall der Erdatmosphäre werden Temperaturen von 10.000 °C (18.000 °F) erzeugt und die Luft um das Raumfahrzeug kann sich in Plasma verwandeln. Aus diesem Grund benötigen Raumfahrzeuge einen am vorderen Ende montierten Hitzeschild, der extreme Hitze aushält und eine aerodynamische Form hat.

Beim Einsatz auf dem Mars sind die Umstände etwas anders, aber die Herausforderung bleibt dieselbe. Während die Marsatmosphäre weniger als 1% der Erdatmosphäre beträgt – mit einem durchschnittlichen Oberflächendruck von 0,636 kPa im Vergleich zu 101,325 kPa der Erde – benötigen Raumfahrzeuge immer noch Hitzeschilde, um ein Abbrennen zu vermeiden und schwere Lasten zu tragen. Wus Design löst möglicherweise beide Probleme.

Das Design des Prototyps, das aus einem schürzenförmigen Schild besteht, das sich drehen soll, zielt darauf ab, einen Hitzeschild zu schaffen, der den Anforderungen aktueller und zukünftiger Weltraummissionen gerecht wird. Wie Wu erklärte:

„Raumschiffe für zukünftige Missionen müssen größer und schwerer sein als je zuvor, was bedeutet, dass Hitzeschilde immer zu groß werden, um sie zu verwalten… Raumschiffe für zukünftige Missionen müssen größer und schwerer sein als je zuvor, was bedeutet, dass Hitzeschilde immer zu groß werden, um sie zu verwalten .“

Wu und seine Kollegen beschrieben ihr Konzept in einer kürzlich in der Zeitschrift erschienenen StudieAstronautische Arche(mit dem Titel „ Flexible Hitzeschilde durch Zentrifugalkraft entfaltet “). Das Design besteht aus einem fortschrittlichen, flexiblen Material, das eine hohe Temperaturtoleranz aufweist und ein einfaches Zusammenklappen und Verstauen an Bord eines Raumfahrzeugs ermöglicht. Das Material wird steif, wenn der Schild eine Zentrifugalkraft ausübt, die durch Rotation beim Eintritt erreicht wird.

Wu und sein Team führen den Falltest ihres Hitzeschild-Prototyps durch. Kredit: Universität Manchester

Bisher haben Wu und sein Team einen Falltest mit dem Prototyp aus einer Höhe von 100 m (328 ft) mit einem Ballon durchgeführt (das Video dazu wird unten gepostet). Sie führten auch eine strukturdynamische Analyse durch, die bestätigte, dass der Hitzeschild in der Lage ist, automatisch eine ausreichende Rotationsrate (6 Umdrehungen pro Sekunde) zu erzielen, wenn er aus einer Höhe von mehr als 30 km (18,64 mi) eingesetzt wird – was mit der Stratosphäre der Erde übereinstimmt.

Das Team führte auch eine thermische Analyse durch, die darauf hindeutete, dass der Hitzeschild die Frontendtemperaturen bei einem CubeSat-großen Fahrzeug um 100 K (100 °C; 212 °F) reduzieren könnte, ohne dass eine Wärmedämmung um den Schild selbst erforderlich wäre (im Gegensatz zu aufblasbaren Strukturen .). ). Das Design ist auch selbstregulierend, d. h. es ist nicht auf zusätzliche Maschinen angewiesen, wodurch das Gewicht eines Raumfahrzeugs noch weiter reduziert wird.

Und im Gegensatz zu herkömmlichen Designs ist ihr Prototyp für den Einsatz an Bord kleinerer Raumfahrzeuge wie CubeSats skalierbar. Durch die Ausstattung mit einem solchen Schild könnten CubeSats nach dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre geborgen und effektiv wiederverwendet werden. Dies alles steht im Einklang mit den aktuellen Bemühungen, die Erforschung und Erforschung des Weltraums kosteneffizient zu gestalten, teilweise durch die Entwicklung wiederverwendbarer und wiedergewinnbarer Teile. Wie Wu erklärte:

„Im Weltraum wird immer mehr geforscht, aber das ist meist sehr teuer und die Geräte müssen sich mit anderen Fahrzeugen mitfahren. Da dieser Prototyp leicht und flexibel genug für den Einsatz auf kleineren Satelliten ist, könnte die Forschung einfacher und kostengünstiger werden. Der Hitzeschild würde auch bei Bergungsmissionen helfen, Kosten zu sparen, da sein hoher induzierter Widerstand die beim Wiedereintritt verbrannte Kraftstoffmenge reduziert.“

Wenn schwerere Raumschiffe auf dem Mars stationiert werden sollen, was wahrscheinlich Missionen mit Besatzung umfassen wird, ist es durchaus möglich, dass die Hitzeschilde, die dafür sorgen, dass sie sicher an die Oberfläche gelangen, aus leichten, flexiblen Materialien bestehen, die sich drehen, um steif zu werden. In der Zwischenzeit könnte dieses Design leichte und kompakte Zugangssysteme für kleinere Raumfahrzeuge ermöglichen, wodurch die CubeSat-Forschung viel erschwinglicher wird.

Dies ist die Natur der modernen Weltraumforschung, bei der es darum geht, Kosten zu senken und den Weltraum zugänglicher zu machen. Und schaut euch auch dieses Video vom Falltest des Teams an, mit freundlicher Genehmigung von Rui Wui und dem MACE-Team:

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