الفضاء

ما الذي يمنع السفن الفضائية من الاحتراق أثناء إعادة الدخول؟

ما الذي يمنع السفن الفضائية من الاحتراق أثناء إعادة الدخول؟


إن إدخال رواد فضاء إلى الفضاء يمثل تحديًا للمهندسين الذين يواجهون مشكلات صعبة غير مسبوقة. على الرغم من أن المركبة الفضائية ربما تم إثباتها أثناء الإطلاق ومدة التعرض للفضاء ، إلا أنها لا تزال تتحمل أحد أكثر التحديات إلحاحًا على الإطلاق: إعادة الدخول. في نهاية المهمة ، تدخل سفن الفضاء الغلاف الجوي للأرض مرة أخرى عندما تسافر أكثر من30000 كم / ساعة. تضغط السرعة الهائلة للمركبة العائدة على الهواء بالأسفل في شكل كرة بلازما ساخنة تحيط بالمركبة. سيتطلب نقل رواد الفضاء بأمان إلى منازلهم حمايتهم من الحرارة عند وصولهاآلاف الدرجات.

أخطار إعادة الدخول

أدرك علماء الآثار منذ فترة طويلة أن الكويكبات تحترق عند سقوطها في الغلاف الجوي. غرست الحقيقة الخوف في نفوس العلماء لعقود من الزمن حيث تساءلوا عن إمكانية هندسة مركبة قوية بما يكفي لتحمل البيئة المحفوفة بالمخاطر التي تخلقها إعادة الدخول.

إن أحد أكبر التحديات المفروضة على مهندسي الطيران هو تطوير مادة واقية من الحرارة لا تتعرض للخطر ، حتى في درجات حرارة تصل إلى 1700 درجة مئوية.

يتم استخدام مجموعة متنوعة من أنظمة الحماية الحرارية (TPS) لمنع سفن الفضاء من الاحتراق الوقائي. الدرع الحراري هو دفاع أولي لمركبة إعادة الدخول ضد الحرارة الشديدة التي تتعرض لها أثناء سقوطها في الغلاف الجوي.

وقوع الكوارث

كان أحد الدروس المستفادة من العودة أثناء الرحلة القاتلة لكولومبيا في 1 فبراير 2003. أثناء الإطلاق ، مزقت قطعة كبيرة من الرغوة حول حجم الحقيبة وتسببت في بعض الأضرار التي لحقت بلوحة الدرع الحراري على الجناح الأيسر. استمرت المهمة كالمعتاد حتى وقعت الكارثة أثناء إعادة الدخول. اخترقت البلازما شديدة الحرارة الجناح المخترق وحرقت هيكله بسرعة. لسوء الحظ ، بدأت كولومبيا في تعثر لا يمكن السيطرة عليه ، مما تسبب في تفككها. فقد سبعة رواد فضاء حياتهم في ذلك اليوم.

ومع ذلك ، فإن الحادث المؤسف سيجبر ناسا على إعادة تصميم مكوك الفضاء. بعد أكثر من عقد من الزمان ، ناسا تنفذ الدروس المستفادة على سفينتها الجديدة ،أوريون.

التقنيات السابقة

لم يكن من الممكن المناورة بالمركبات الفضائية المأهولة في وقت مبكر بما في ذلك عطارد ، الجوزاء ، وأبولو أثناء إعادة الدخول. اتبعت كبسولات الفضاء مسارات إعادة الدخول الباليستية قبل أن تهبط في المحيط.

الدروع الحرارية الكبيرة المصنوعة من راتنجات الايبوكسي الفينولية في مجموعة أقراص العسل المصنوعة من سبائك النيكل تحمي الكبسولات أثناء إعادة الدخول. يمكن أن تتحمل الدروع معدلات تسخين عالية بشكل لا يصدق ، وهي ضرورة ملحة بين المركبات العائدة.

شكلت مهمات أبولو القمر عقبة هندسية كبيرة منذ الكبسولات ، حيث عادت من القمر ودخلت الغلاف الجوي في أكثر من 40000 كم / ساعة. كان الدرع الحراري قادرًا على استئصال أو حرق طبقة الفحم بشكل يمكن التحكم فيه لحماية الطبقات الأساسية. على الرغم من أن الدرع الواقي من الحرارة كان فعالاً ، إلا أنه كان هناك بعض العيوب الخطيرة.

كانت الدروع ثقيلة ومربوطة مباشرة بالسيارة. علاوة على ذلك ، لم تكن قابلة لإعادة الاستخدام.

ربما ينتمي نظام الحماية الحرارية الأكثر إثارة للإعجاب (TPS) إلى نظام مكوك الفضاء المداري. تطلب برنامج مكوك الفضاء درعًا حراريًا معاد تصميمه بالكامل. مع عمر تصميم طويل بشكل لا يصدق 100 مهمة، لم يكن عزله يعمل بشكل جيد فحسب ، بل يجب أيضًا أن يكون قابلاً لإعادة الاستخدام. سيوفر نجاحها الهندسي التقنيات المبتكرة التي ستنتقل إلى الجيل القادم من برامج الفضاء.

نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء

في الفضاء ، يدور المسبار حول العالم كل 90 دقيقة. سيشهد الوقت من النهار إلى الليل تقلبات في درجات الحرارة من -130 درجة مئوية إلى ما يقرب من 100 درجة مئوية ، ناهيك عن درجات حرارة العودة.

على الرغم من وجود العديد من المواد التي تتمتع بالمتانة الكافية لتحمل قوى إعادة الدخول ، فلا يمكن للكثير منها تحمل الحرارة. أثناء إعادة دخول المسبار ، وصلت أسطحه الخارجية إلى درجات حرارة قصوى تصل إلى 1648 درجة مئوية (3000 درجة فهرنهايت).

على الرغم من الحرارة الشديدة التي تتعرض لها TPS ، تعمل العديد من الأنظمة معًا للحفاظ على الجلد الخارجي للمركبة في الأسفل 176 درجة مئوية (350 درجة فهرنهايت). على الرغم من أن المكونات الخارجية قد تكون قادرة على تحمل مئات الدرجات ، إلا أن هيكل الطائرة المصنوع من الألومنيوم يمكنه فقط تحمل درجات حرارة تصل إلى بحد أقصى 150 درجة مئوية. سوف تتسبب درجات الحرارة التي تتجاوز الحد الأدنى بكثير في أن يصبح الإطار ناعمًا ومهددًا نتيجة لذلك. تضمن أنظمة الحماية الحرارية المطبقة أن هيكل الطائرة لا يتجاوز الحد الحراري.

المواد المستخدمة للحفاظ على برودة المسبار

تم بناء أول مركبة مدارية تشغيلية تابعة لناسا ، والمعروفة باسم كولومبيا ، من أربع مواد أولية. تشتمل المواد على كربون مقوى (RCC) ، وبلاط عازل للسطح يمكن إعادة استخدامه بدرجة حرارة منخفضة وعالية (LRSI و HRSI ، على التوالي) ، وبطانيات عازلة للسطح قابلة لإعادة الاستخدام (FRSI).

تختلف درجات حرارة الأجزاء المختلفة من الطائرة وبالتالي تتطلب مواد مختلفة. الأجزاء الأكثر تعرضًا للحرارة ، بما في ذلك الأنف والجانب السفلي للمركبة المدارية ، مصنوعة من أكثر المواد مقاومة للحرارة. تتطلب الحواف الأمامية طلاءًا إضافيًا من الكربون والكربون أعلى البلاط العازل ذي درجة الحرارة العالية.

تمت تغطية المناطق الأخرى ، بما في ذلك معظم جسم الطائرة ، بمرونة متقدمة وقابلة لإعادة الاستخدام بطانيات عازلة.

[الصورة بإذن من ناسا]

يتم تغطية جميع المكونات التي تتلامس مع الخارج بطبقات عالية الانبعاثية لضمان انعكاس المكوك لمعظم الحرارة الحرارية. رغم ذلك ، يلعب الاختلاف في اللون دورًا حيويًا أيضًا.

البلاط الأسود والأبيض ، على الرغم من تشابههما في التكوين ، يؤدي مهام مختلفة أثناء إعادة الدخول. يحتفظ البلاط الأبيض الموجود على السطح العلوي للمادة بانعكاسية حرارية عالية (ميل لامتصاص الحد الأدنى من الحرارة). تم تحسين البلاط الأسود بدلاً من ذلك لتحقيق أقصى قدر من الابتعاثية مما يسمح لهم بفقدان الحرارة بشكل أسرع من البلاط الأبيض.

كيف هؤلاء يعملون

البلاط الذي يأخذ الكثير من القوة الغاشمة أثناء إعادة الدخول مصنوع من السيليكا aerogels. المواد المستخدمة على الجانب السفلي من المدار (المعروفة باسم LI-900) هي 94٪ من حجم الهواءمما يجعلها خفيفة بشكل لا يصدق. تم تصميم البلاط خصيصًا لتحمل الصدمات الحرارية. يمكن تسخين LI-900 إلى 1200 درجة ثم يغطس في الماء البارد دون التعرض لأضرار. على الرغم من ذلك ، فإن تحسين البلاط بكثافة منخفضة ومقاومة عالية للصدمات يؤدي إلى حل وسط في قوته الإجمالية.

تتطلب مناطق الضغط العالي مادة أكثر قوة ؛ تتطلب مناطق الضغط العالي مادة أكثر قوة ؛ مشكلة تم حلها لاحقًا بواسطة المادة LI-2200. تم تعديل البلاط LI-2200 لتحمل المزيد من القوة. رغم ذلك ، فإن البلاط الأقوى له عيوبه أيضًا. يزن بلاط LI-2200 22 رطلاً لكل قدم مكعب الكثافة الظاهرية مقارنةً بـ LI-900 الأخف وزنًا بكثافة فقط 9 جنيهات لكل قدم مكعب.

إعادة دخول الأجواء اليوم

على الرغم من أن رواد الفضاء لم يزروا القمر منذ فترة ، وعلى الرغم من التخلي عن برنامج مكوك الفضاء منذ ذلك الحين ، يزور رواد الفضاء بشكل روتيني محطة الفضاء الدولية لإجراء التجارب والإصلاحات. على الرغم من أن سفن الفضاء قد تغيرت ، إلا أن التقنيات التي تعيدها إلى الوطن تحتفظ بنفس المبادئ.

مركبة اوريون الفضائية

إن ماغنوم أوبس ناسا الحالي هو مركبتهم الفضائية الثورية أوريون. تعد ناسا بأن المركبة الفضائية ستأخذ البشر إلى أبعد من أي وقت مضى ، بما في ذلك المريخ. على الرغم من أن المركبة الفضائية الجديدة تطلبت إصلاحًا شاملاً لأنظمة إعادة دخولها.

في حين أن مكوك الفضاء لديه TPS رائعًا ، فقد تخلى المهندسون إلى حد كبير عن فكرة الدروع الحرارية القابلة لإعادة الاستخدام لصالح البلاط الرخيص القابل للتصنيع الذي يستخدم مرة واحدة.

لن تنزلق كبسولة أوريون كما فعل مكوك الفضاء مرة واحدة. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام المظلات لضمان عودة آمنة إلى الأرض. تم تصميم وحدة طاقم Orion لإعادة الدخول بسرعات تزيد عن40،000 كم / ساعة.

كيف ينجو الجبار من إعادة الدخول

تعمل المساحة السطحية الكبيرة لقاع الكبسولة على تحمل القوة الحادة. مثل مركبات إعادة دخول Apollo ، تم تصميم درع Orion الحراري للتخلص من (حرق يمكن التحكم فيه). الدرع ديناميكي هوائي بما يكفي للحفاظ على مسار طيران مستقر ، ومع ذلك فهو حاد بدرجة كافية لإبطاء الهبوط إلى سرعة لا تتجاوز 500 كم / ساعة.

بعد تحقيق معدل معقول ، فإن العديد من المظلات الصغيرة التي يزيد قطرها قليلاً عن 2 متر تبطئ الطائرة بمقدار 30 كم / ساعة فقط. من هناك ، سلسلة من المظلات الكبيرة بأقطار7 أمتاريتم نشرها لإبطاء الكبسولة 200 كم / ساعة مجرد 3 كيلومترات فوق سطح الأرض. أخيرًا ، تعمل ثلاث مظلات رئيسية ضخمة يبلغ قطر كل منها 35 مترًا على إبطاء معدل الهبوط إلى سرعة البقاء على قيد الحياة. على الرغم من أن الهبوط ليس جميلًا.

ومع ذلك ، فمن خلال العمل الشاق الذي يقوم به رواد الفضاء اليوم من شأنه أن يدفع البشرية إلى تحقيق القفزة العملاقة التالية. قريبًا ، ستأخذ البعثات البشر بعيدًا عن متناول الأرض لاستكشاف الكواكب الأخرى.

بقلم مافريك بيكر


شاهد الفيديو: أول اتصال مع مركبة فضائية: الرجل الذي نجا من السقوط من الفضاء الخارجي