Открытый углерод

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13135 (2023) Цитировать эту статью

371 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Миссии по исследованию космоса полагаются на абляционные тепловые экраны для тепловой защиты космических кораблей во время полетов в атмосферу. Хотя для будущих миссий необходимы специальные исследования, научное сообщество имеет ограниченный доступ к абляционным материалам, обычно используемым в аэрокосмической отрасли. В этой статье мы сообщаем о разработке лабораторного экспериментального материала для абляционных исследований HEFDiG (HARLEM), углеродно-фенольного аблятора, предназначенного для удовлетворения потребности в абляционных материалах в лабораторных экспериментах. HARLEM производится с использованием заготовок из углеродного волокна на основе полиакрилонитрила и упрощенного процесса обработки фенольной пропиткой. Мы охарактеризовали характеристики тепловой защиты HARLEM в экспериментах с дуговыми реактивными двигателями, проведенных в плазменной аэродинамической трубе PWK1 Института космических систем Штутгартского университета. Мы оценили характеристики нового материала, измеряя скорость рецессии поверхности и температуру с помощью установок фотограмметрии и термографии во время экспериментов соответственно. Наши результаты показывают, что характеристики тепловой защиты HARLEM сопоставимы с устаревшими углеродно-фенольными абляторами, которые были проверены на различных электродуговых установках или в полете, о чем свидетельствуют расчеты эффективной теплоты абляции и сканирующая электронная микроскопия готовых образцов. Собственное производство углерод-фенольных абляторов позволяет добавлять к абляторам встроенную диагностику, позволяющую получать данные о внутреннем давлении и более сложные методы анализа пиролиза.

Космические аппараты, входящие в атмосферу планет, испытывают высокие аэротермические нагрузки и требуют специальных систем тепловой защиты1,2. При скоростях входа более 11 км/с абляционные тепловые экраны обычно используются для тепловой защиты из-за экстремальных тепловых потоков, которым приходится выдерживать космический корабль3. Глубокое понимание механизмов, объединенных под термином «абляция», и того, как они влияют на характеристики тепловых экранов, является ключом к оптимизации систем тепловой защиты и снижению рисков, связанных с наиболее сложными космическими миссиями.

Углеродно-фенольные абляторы являются современными абляционными материалами и часто выбирались для систем тепловой защиты исследовательских миссий3. Они способны рассеивать большое количество тепла путем абляции и, из-за высокого содержания углерода, путем повторного излучения4,5. Чтобы оценить эффективность абляционных материалов и изучить их сложное взаимодействие с высокоэнтальпийными потоками, исследователи воспроизводят условия входа в атмосферу в плазменных аэродинамических трубах. Данные, полученные в этих экспериментах, имеют решающее значение для проверки численных моделей, которые затем используются для проектирования и оптимизации материалов теплозащитного экрана. Однако получение точных параметров материала в ходе эксперимента остается сложной задачей, особенно при анализе внутренних процессов, требующих специального диагностического оборудования. Для повышения качества исследований необходимы более фундаментальные материальные данные и новые методы диагностики, позволяющие измерять ранее недоступные параметры.

Диагностические методы часто требуют как производства материалов, так и внедрения инструментов, которые может быть сложно воспроизвести. Более того, методы обработки, используемые для производства обычных абляторов, обычно не раскрываются в открытой литературе, поскольку они часто являются собственностью компаний или государственных учреждений. Например, отчеты о разработке углеродно-фенольного аблятора PICA6,7,8 не позволяют его воспроизвести, даже если метод запатентован9,10. Другие углеродно-фенольные абляторы, в том числе ASTERM, AQ61 и ZURAM11, а также другие варианты аблаторов, такие как AVCOAT, Cork P50, MA-25S, MonA, SLA-561 и ACUSIL, являются запатентованными материалами, принадлежащими различным организациям, включая НАСА. Исследовательский центр Эймса, Немецкий аэрокосмический центр, Airbus SE, Amorim Cork Composites, Textron Inc., Peraton Inc. и Lockheed Martin Corp. В результате возможности исследовательского сообщества по изучению этих материалов ограничены, что может препятствовать развитию передовые системы тепловой защиты для космических миссий.