NASA-ingeniørerne kæmper for at bygge et bedre varmeskjold

Et billede af Helen Hwang Jessica Chou

I måneder i træk blev prøverne ved med at smelte. Dette var ikke ligefrem overraskende — den korkfyldte glasfiber-bikage blev udsat for et eksplosion af varme fire gange mere intens, end hvad rumfærgens forkant modstod ved at komme ind i Jordens atmosfære igen. Det var som at sætte verdens varmeste ovn i midten af ​​dens kraftigste vindtunnel.

De samme materialer havde allerede beskyttet alle Amerikas tidligere Mars-landere mod varmen fra at ramme Mars-atmosfæren med næsten 10.000 miles (16.000 kilometer) i timen. Men det skulle ikke være godt nok længere. Skjoldet til Mars Science Laboratory (MSL) skal kunne modstå omkring 250 watt energi pr. kvadratcentimeter — omkring 10 gange den varme, som Vikingen oplevede, USAs første Mars-lander, som landede på planeten i 1976. Det skyldes, at MSL, der er planlagt til at opsendes i august 2009, ville være tre gange tungere end Viking. Curiosity-roveren, som MSL ville bære, var omkring fem gange tungere end Spirit og Opportunity-roverne, som var landet sikkert på Mars i 2004. MSLs størrelse og vægt var ikke uløselige problemer i sig selv. Men computersimuleringer viste, at sondens enorme vægt ville resultere i kraftig turbulens, hvilket fører til mere alvorlige forhold, end nogen tidligere Mars-varmeskjolde ville have udholdt. Og når de vendte varmeskjoldmaterialet sidelæns til den modkørende strøm af varm luft for at simulere turbulens, ville honeycomb-celler springe i det, hvilket førte til en kædereaktion af fejl. Testen lignede noget, vi nogensinde havde set før, husker Helen Hwang, en forsker ved NASAs Ames Research Center i Silicon Valley, som var ansvarlig for MSLs termiske beskyttelsessystem på det tidspunkt.

Denne historie var en del af vores juli 2019-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I kølvandet på disse fiaskoer stod Hwangs hold over for en alvorlig tidsklemme. Det var 2007, og lanceringen var planlagt om mindre end to år. Der var to muligheder, som hun så det: redesign missionen for at forsøge at reducere varmeforholdene, eller komme med et nyt varmeskjoldmateriale. Den første mulighed ville begrænse, hvor roveren kunne lande, og de videnskabelige instrumenter, den kunne bære. Den anden mulighed betød, at de skulle designe, udvikle, teste og bygge et nyt varmeskjold på mindre end 18 måneder. Den mulighed var risikabel, men den ville give missionen mulighed for at udføre al den videnskab, den var beregnet til.

De valgte den anden mulighed.

Efterhånden som menneskelige ambitioner vokser i rummet, bliver vores opfindsomhed nødt til at matche dem. For at udforske de tætte atmosfærer på planeter som Venus eller Saturn har vi brug for ultra-robuste varmeskjolde, der kan håndtere intense tryk. For at sende marsprøver tilbage til Jorden, har vi brug for uforgængelige varmeskjolde, der forhindrer fremmede livsformer i at forurene vores planet, eller omvendt. Landing af mennesker på andre planeter vil kræve aerosheller i superstørrelse, indgangskapslerne beskyttet af varmeskjolde, med en diameter på næsten 20 meter (66 fod) eller mere. Intet i nærheden af ​​den skala er nogensinde blevet fløjet til Mars før.

Udfordringerne ved at udvikle disse teknologier vil være enorme, men det vil belønningen også, hvis de sikkert leverer robotter og mennesker til nye grænser. Uden banebrydende fremskridt inden for aeroshells og varmeskjolde vil sådanne missioner være meningsløse - de vil bare brænde op i atmosfæren.

Hvis du går ud i rummet, er der to grunde til at sætte farten ned: at vende tilbage til Jorden eller at stoppe ved et andet himmellegeme. En måde at sætte farten ned på er at bruge den samme metode, som du brugte til at sætte farten op: raketter. Men det betyder at bære mere raketbrændstof, hvilket øger vægten. Rent praktisk giver det mening at bruge atmosfæren, hvis der er sådan en. Men at overleve den resulterende varme kræver smarte materialer og smart formede rumfartøjer.

De smarte former opstod i 1950'erne på Ames Research Center, det samme sted hvor Hwang senere skulle arbejde med at udvikle MSL-varmeskjoldet. Harry Julian Harvey Allen, der stod i spidsen for Ames højhastighedsforskningsafdeling i begyndelsen af ​​1950'erne, udtænkte den såkaldte stumpe krop, som ville have en flad, bred side til at tage hovedet af varmen. Allen og en kollega arbejdede på teorien i løbet af det næste år. De indså, at en stump krop ville skabe en stærk chokbølge foran den, som afbøjede meget af varmen væk fra køretøjet. De satte derefter den anden brik i puslespillet sammen: ablation. Det betyder at bruge materialer, der er designet til at nedbrydes og erodere ved indstigning, hvilket skaber et forkullet lag, der effektivt skubber varmen væk fra køretøjet.

Konceptet med stump krop blev oprindeligt mødt med skepsis, og det forblev klassificeret indtil 1957. Men i maj 1961, da Alan Shepard blev den første amerikaner til at besøge rummet, brugte hans Friendship 7-kapsel et konisk stumpt ansigt til sikkert at vende tilbage til Jorden.

På grund af Apollo-programmet var nye ablative materialer et meget aktivt forskningsområde i 1960'erne. For Apollo henvendte NASA sig til et firma kaldet Avco, som specialiserede sig i materialer til langtrækkende missilsprænghoveder. Et 2,7 tommer tykt lag Avcoat, et varmeafskærmningsmateriale lavet af epoxyharpiks i en glasfibermatrix, absorberede den værste varme ved Apollos genindtræden.

HEEET er beregnet til adgang til ekstreme miljøer, som dem på Saturn eller Neptun. Jessica Chou

Til vikingemissionerne - som ville opsende de første vellykkede Mars-landere i 1970'erne - brugte NASA et nyt materiale kaldet SLA-561V. Ligesom Avcoat er SLA (til superletvægtsablator) baseret på en honeycomb-struktur fyldt med gobs af ablativ harpiks. Men ingeniørerne hos Martin Marietta, firmaet, der udtænkte materialet, integrerede også lettere bestanddele, såsom silicium og kork, for at reducere dets tæthed.

Rumfærgerne, der først blev opsendt i 1980'erne, havde brug for en helt ny tilgang. Det var meningen, at pendulerne skulle kunne genbruges, og det gjaldt også varmeskjoldene. I stedet for et stof som SLA blev skytterne beskyttet med forstærket carbon-carbon på næsehætten og forkanterne af vingerne og af keramiske fliser på maven.

Hwang, der voksede op i en lille by i Iowa, husker, at han håndterede en rumfærge i en skolepræsentation. Erfaringen plantede ønsket om en dag at arbejde med varmeskjoldteknologier. Efter at have opnået sin doktorgrad i plasmafysik ved University of Illinois, Urbana-Champaign, tog hun et job på Ames Research Center, men et job, der ikke havde noget at gøre med varmeskjolde. I flere år arbejdede hun med at bruge plasmaer til at ætse kredsløb i mikrochips. Da finansieringen manglede, skiftede hun til varmeskjolde og realiserede sin barndoms ambition.

Da Hwang i 2006 fik til opgave at skabe et varmeskjold til MSL-projektet, henvendte hun sig i første omgang til SLA. Men det blev ret hurtigt klart, at SLA ikke ville fungere. Vi var aldrig rigtig i stand til at isolere, hvad der forårsagede fejlen, siger Hwang, men fejlen kunne gentages; vi testede i mange forskellige faciliteter, og vi så den samme fejl under forskellige forhold.

Der var dog ikke mange andre muligheder. Det eneste levedygtige valg var noget, der kaldes phenol-imprægneret kulstofablator (PICA), som var blevet udviklet i Ames i 1990'erne til Stardust-missionen - den første til at returnere prøver fra en komet, og den hurtigste atmosfæriske genindtræden i historien. Stardust havde brugt et kontinuerligt stykke PICA, men MSL var for stort til, at den tilgang var praktisk. De skulle i stedet lave fliser af materialet og designede Mars-sonden til at blive dækket med dem, hvilket gjorde det på en måde, der ikke tillod strømlinjerne af gas at strømme langs de potentielt sårbare sømme mellem fliserne. Det var det første flisebelagte ablative varmeskjold og den største aeroshell nogensinde fløjet. (Den samme løsning bliver nu brugt af SpaceX til sin Dragon-kapsel. NASA lånte Dan Rasky, en af ​​designerne af PICA i Ames, til SpaceX for at hjælpe med at designe Dragons varmeskjoldmateriale, kendt som PICA-X.)

Jeg vil udforske vores solsystem. Vi har kun været på en håndfuld destinationer. Jeg vil gå til dem alle sammen.

Da MSL-lanceringens deadline nærmede sig, sprængte Hwang og hendes team PICA-prøver i Arc Jet Complex i Ames, hvilket forbedrede deres forståelse af materialet og huludfyldningerne med hver ny test. De perfektionerede deres skjold i tide til lanceringen i 2009 - kun for at se missionen blive forsinket til 2011 for at sikre, at andre systemer var klar. MSL landede til sidst på Mars i august 2012. Curiosity er stadig aktiv på Mars, og har haft så stor succes, at NASA nu udvikler endnu en mission, Mars 2020-roveren, baseret på et lignende design. Hwang har gentaget sin rolle som styring af det termiske beskyttelsessystem, som igen vil bruge PICA til at afskærme rumfartøjet, når det går ned til Mars i begyndelsen af ​​2021.

Jessica Chou

En af Mars 2020-roverens vigtigste opgaver vil være at indsamle prøver, der en dag kan blive raket tilbage til Jorden af ​​en fremtidig lander. Selvom forskerne lærer, hvordan man lander den næste generation af rumfartøjer på andre verdener, arbejder de også på, hvordan de kan bringe fristende fremmede miljøer tilbage til Jorden.

Hvis mennesker vil lande på Mars, vil det kræve varmeskjolde, der er mindst fire gange diameteren af ​​den på MSL. Det er grunden til, at NASA nu udvikler koncepter til udvidelige aeroshells, der kan gemmes inde i løfterakettens kappe og sættes ind i et større skjold i rummet. Meget af det arbejde bliver udført på NASAs Langley Research Center i Virginia. Om morgenen den 23. juli 2012 eksploderede en sonderende raket fra NASA's Wallops Flight Facility på tværs af Chesapeake Bay fra Langley på Virginias østlige kyst. Raketten bar en deployerbar aeroshell kendt som en hypersonisk oppustelig aerodynamisk decelerator (HIAD), en bred, lavvandet kegle bestående af en oppustelig struktur af doughnut-formede rør. HIAD'en var mindre end en halv meter i diameter, men en gang i rummet blev den udsendt til tre meter. Ved at gøre skjoldet bredere spredes varmen fra genindtræden ud over et større område.

Raketten gik 290 miles op - et godt stykke over rummets grænse - og derefter pustede HIAD op til sin fulde størrelse. Kameraer ombord fangede en udsigt over Atlanterhavet, da strukturen faldt gennem atmosfæren. HIAD-konceptet har klaret sig godt i disse flyvetests, men nogle mennesker afviser stadig tanken om at beskytte Mars-bundne astronauter med en opblæst aeroskal. Mange mennesker siger: 'Åh, du har en oppustelig struktur - den kommer til at bøje sig som et poollegetøj,' siger Robert Dillman, en rumfartsingeniør hos Langley og medlem af HIAD-teamet. Denne ting er ret solid. Den ringer, når du trykker på den.

Større aeroshells skubber chokbølger længere væk fra rumfartøjet, hvilket giver mere beskyttelse mod indgangsvarme. Den resterende varme afværges af et fleksibelt termisk beskyttelsessystem, der dækker den oppustelige struktur med slidstærke yderstoffer og isolering.

Den næste HIAD, der er planlagt til at flyve, vil nå et lavt kredsløb om Jorden og udvide sig til seks meter. Men disse oppustelige koncepter er ikke de eneste udvidelige aeroshells i værkerne. Et team hos Ames er ved at udvikle et foldbart skjold kaldet Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Fremstillet af fleksible 3D-vævede kulfibre, skjoldet åbner sig som en paraply og holdes stabilt af metalstivere.

Hwang er også involveret i udviklingen af ​​noget kaldet Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), som kunne rumme missioner til Venus, Saturn, Uranus og Neptun. HEEET er langt mere robust end PICA og SLA-561V, og dermed bedre egnet til tætte atmosfærer. Traditionelt har hver mission haft et unikt varmeskjold, men det gør tingene dyrere. Hwang håber at opnå stordriftsfordele - en slags Ford Model T for genindtræden.

Jeg vil udforske vores solsystem, siger hun. Vi har kun været på en håndfuld destinationer. Jeg vil gå til dem alle sammen.

Becky Ferreira er en videnskabsreporter med base i Ithaca, New York. Hendes arbejde har optrådt i Wired og New York Times.

skjule