Cum se reduce greutatea unui scut termic
De Frank Tobe 21 noiembrie 2014
Vehiculul Orion Ground Test la Centrul Spațial Kennedy al NASA. Ecranul circular împotriva căldurii este vizibil chiar la baza vehiculului. Imagine oferită de NASA.
Protejat de coaja rachetei sale de lansare în timpul exploziei, vehiculul cu echipament multifuncțional Orion (MPCV) al NASA trebuie să se întoarcă singur pe pământ la sfârșitul misiunii. Pentru a menține capsula și echipajul în siguranță sub sarcinile uriașe de reintrare și stropire - temperaturi care depășesc 4.800 ° F și viteze de până la 25.000 mph - o viteză de 16,4 ft. Sistemul de protecție termică ablativă cu diametru este fixat pe baza MPCV cu o structură purtătoare de grafit de carbon și titan.
Pe măsură ce ecranul termic atinge temperaturi extrem de ridicate, porțiuni din acesta se îndepărtează de vehicul pentru a elimina energia termică excesivă. Structura purtătoare rămasă trebuie să supraviețuiască impactului atunci când lovește apa pentru a ajuta la menținerea intactă a modulului astronautului.
La sfârșitul verii anului 2012, inginerul șef al NASA pentru proiectul Orion, Julie Kramer, a contactat Centrul de Inginerie și Siguranță (NESC) al agenției spațiale și a solicitat câteva idei noi despre cum să reducem masa navei spațiale. Misiunea NESC este de a efectua teste, analize și evaluări independente cu valoare adăugată a proiectelor NASA cu risc ridicat pentru a asigura siguranța și succesul misiunii.
(Sus) Orion Multi-Purpose Crew Vehicle test splashdown și (Bottom) software simulare a sarcinilor pe vehicul în timpul evenimentului extrem de dinamic.
Cum să scoateți o încărcătură
La aproximativ 3.000 lb, designul compozit și titan „de bază” pentru structura purtătoare în formă de roată de vagon care suportă sistemul de protecție termică al MPCV este una dintre cele mai mari componente ale modulului echipajului și o țintă principală pentru reducerea greutății.
Echipa de proiectare, care a inclus Mike Kirsch, manager de proiect și inginer principal al echipei de evaluare a structurii Orion Shield Heat Shield, și conducătorul tehnic Jim Jeans, președintele Structural Design & Analysis, Inc., au folosit HyperSizer al Collier Research Corp.
Primul software comercializat din NASA, HyperSizer analizează stresul, optimizează dimensionarea și reduce greutatea aeronavelor, a palelor turbinei eoliene și a altor structuri. Fie că este proiectat cu materiale compozite sau metalice, o optimizare tipică HyperSizer produce economii de greutate între 25 și 40%.
Concepte structurale alternative
Proiectarea liniei de bază pentru scutul termic consta dintr-o piele solidă din carbon-grafit din laminat solid fixată pe capsulă printr-o structură purtătoare cu un model în formă de spiță de grinzi I din titan în formă de roată de vagon. Proiectele din grafit de carbon sunt adaptabile, deoarece modificările pot continua să fie făcute pe drumul către fabricarea finală. Cu scopul inițial de a tăia 800 lb, echipa NESC a luat în considerare atât modificările materiale, cât și structurale ale liniei de bază.
„Trebuia să venim cu o structură mai ușoară care să reziste la presiunea aerodinamică a reintrării în atmosfera Pământului și să susțină sistemul de protecție termică, astfel încât materialul ablativ din scutul termic să-și poată face treaba”, a spus Kirsch. „Reintrarea este un caz de încărcare destul de sever. Dar și mai important este atunci când modulul echipajului lovește efectiv apa. Acea aterizare pe apă este evenimentul care conduce designul structurii purtătorului scutului termic. Folosind parașute, încercăm să scoatem din ea cât mai multă energie înainte de acel impact, care este o situație dificilă, dinamică, bazată pe condițiile de vânt și val. În mod ideal, doriți ca capsula să fie cuțită, nu burtă. Proiectarea trebuie să fie robustă pentru gama largă de condiții posibile de vânt și val. ”