ยานอวกาศ

เร็วกว่ากระสุนที่เร็วที่สุด ยานอวกาศที่เรียกว่า Orion จะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกด้วยความเร็ว 6.8 ไมล์ (11 กิโลเมตร) ต่อวินาที สร้างอุณหภูมิพื้นผิวเทียบเท่ากับมากกว่า 4,800 องศาฟาเรนไฮต์ (2,649 องศาเซลเซียส) เพื่อแสดงให้เห็นว่าร้อนแค่ไหน การถูมือเข้าหากันเร็วๆ จะทำให้เกิดความอบอุ่น ในทางตรงกันข้าม ยานอวกาศที่วิ่งด้วยความเร็วไม่เพียงสร้างความอบอุ่นเท่านั้น แต่ยังสร้างความร้อนมหาศาลอีกด้วย น้อยที่สุดเนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างอากาศและพื้นผิวของยานอวกาศในขณะที่มันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เหลือเชื่อ (ความร้อนที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เกิดจากการอัดอากาศอย่างรวดเร็วโดยไม่มีเวลาให้อากาศเย็นลง) กระสวยเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วน้อยกว่า 7.5 กิโลเมตรต่อวินาที สร้างอุณหภูมิสูงสุดต่ำกว่า 2,900 องศาฟาเรนไฮต์ (1,593 องศาเซลเซียส) ซึ่งยังคงร้อนพอที่จะละลายนิกเกิลและเหล็ก ยานลูกเรือจะเห็นอุณหภูมิสูงถึง 3,400 องศาฟาเรนไฮต์ (1,871 องศาเซลเซียส) เมื่อกลับเข้าสู่วงโคจรระดับต่ำ ความยาวของยานอวกาศกลับเข้ามาก็เป็นตัวแปรเช่นกัน เนื่องจากเวลากลับเข้าใหม่แตกต่างกันไป ระยะเวลาของช่วงเวลาเหล่านี้จึงส่งผลต่อการตอบสนองของแผ่นกันความร้อนต่ออุณหภูมิสูงด้วย นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ NASA Ames Research Center ซึ่งตั้งอยู่ที่ Silicon Valley ของรัฐแคลิฟอร์เนีย เป็นผู้นำความพยายามในการพัฒนาแผงป้องกันความร้อนขั้นสูง Orion ของ NASA เรียกอย่างเป็นทางการว่าโครงการพัฒนาขั้นสูงระบบป้องกันความร้อน (TPS ADP) ทีมพัฒนาแผ่นป้องกันความร้อนขั้นสูงประกอบด้วยวิศวกรจาก NASA Ames เท่านั้น แต่รวมถึง NASA Johnson Space Center, Houston; NASA Kennedy Space Center, Fla.; ศูนย์วิจัย NASA Langley, Va.; NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.; และศูนย์วิจัย NASA Glenn เมืองคลีฟแลนด์ รัฐโอไฮโอ งานป้องกันความร้อนขั้นสูงเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามร่วมกันของ NASA ที่เรียกว่า Constellation Program ซึ่งดำเนินการร่วมกันเพื่อพัฒนายานอวกาศชุดใหม่และปล่อยยานเพื่อนำนักบินอวกาศในวันพรุ่งนี้ขึ้นสู่อวกาศ แผ่นกันความร้อนและระบบสนับสนุนเสริมรุ่นการบินขั้นสุดท้ายจะได้รับการออกแบบและผลิตโดยผู้รับเหมาหลัก Orion เมื่อได้รับสัญญาดังกล่าว George Sarver ผู้จัดการโครงการ Ames' Orion/ Ares Support Project กล่าวว่า "เราไม่รู้ว่าวัสดุขั้นสุดท้าย (แผ่นกันความร้อนขั้นสูง) จะเป็นเช่นไรจนกว่าการทดสอบและวิเคราะห์จะเสร็จสิ้น" จากข้อมูลของ Sarver นาซ่าต้องพัฒนาแผ่นป้องกันความร้อนขั้นสูงให้เสร็จภายในปี 2552 เพื่อให้พร้อมสำหรับการบินครั้งแรกของ Orion ซึ่งอาจเป็นไปได้ในปี 2555 แต่ไม่เกินปี 2557 James Reuther ซึ่งประจำอยู่ที่ NASA Ames กล่าวว่า "เนื่องจากเวลาในการพัฒนา Orion นั้นสั้น เราจึงทดสอบและวิเคราะห์วัสดุที่เรารู้ว่าสามารถทนต่ออัตราความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างภารกิจกลับสู่ดวงจันทร์ได้เท่านั้น" และใครเป็นผู้จัดการโครงการของหน่วยงานสำหรับงานพัฒนาขั้นสูงของ TPS (แผ่นกันความร้อน) อัตราความร้อนคือปริมาณพลังงานความร้อนที่ส่งไปยังวัสดุในเวลาที่กำหนด รอยเตอร์ระบุว่ามีวัสดุเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถทนต่ออัตราความร้อนที่สูงขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับการกลับสู่ดวงจันทร์ NASA กำลังทำงานเพื่อสร้างแผ่นกันความร้อนรูปจานร่อนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 16.5 ฟุต (5 เมตร) ที่สามารถผลิตเป็นชิ้นเดียวได้ มันจะติดอยู่ที่ฐานของแคปซูลลูกเรือรูปกรวยของนายพราน โล่จะต้องปกป้องแคปซูลระหว่างการกลับสู่วงโคจรต่ำของโลกและการกลับสู่ชั้นบรรยากาศของโลกอย่างรวดเร็วเมื่อปฏิบัติภารกิจบนดวงจันทร์เมื่อมันพานักบินอวกาศกลับบ้าน การทดสอบ CEV Heat Shield เมื่อเปรียบเทียบปริมาณการป้องกันความร้อนที่กระสวยอวกาศต้องการกับสิ่งที่ ยานอวกาศ Orion รุ่นใหม่ต้องการ Reuther ตั้งข้อสังเกตว่าวิศวกรออกแบบกระสวยให้กลับมาจากวงโคจรระดับต่ำของโลกเท่านั้น ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 150 ถึง 250 ไมล์ขึ้นไป "อย่างไรก็ตาม จริงๆ แล้ว ความสูงไม่ได้มีความสำคัญ แต่เป็นความเร็วที่ยานพาหนะเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก" เขากล่าว "ความแตกต่างระหว่าง 7.5 กิโลเมตรต่อวินาที (ความเร็วกระสวยกลับเข้าสู่วงโคจรระดับต่ำของโลก) และ 11 กิโลเมตรต่อวินาที (ความเร็วในการกลับเข้าสู่แคปซูล Orion จากดวงจันทร์) แปลเป็นปัจจัยหนึ่งในห้าของอัตราความร้อนที่เพิ่มขึ้น (สำหรับ Orion)" รอยเทอร์อธิบาย "อุณหภูมิของวัสดุไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพ" รอยเตอร์ตั้งข้อสังเกต "อุณหภูมิพื้นผิวที่อัตราความร้อนที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุทั้งหมด" เขากล่าวเสริม “วัสดุ TPS (แผ่นป้องกันความร้อนขั้นสูง) เหล่านี้ส่วนใหญ่ได้รับการทดสอบในตัวอย่างขนาดเล็กขนาดลูกฮอกกี้เท่านั้น โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 4 นิ้ว” รอยเตอร์กล่าว “น่าเสียดาย เนื่องจากแผ่นกันความร้อนที่เราต้องการสำหรับ Orion จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เมตร จึงต้องมีการทดสอบอาร์คเจ็ตมากกว่าเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบ” เขากล่าว 'อาร์คไอพ่น' ขนาดใหญ่สองลำของ NASA ซึ่งเทียบเท่ากับ blowtorches ขนาดห้องที่ระบายความร้อนด้วยสายน้ำหลายพันสาย กำลังช่วยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ NASA Ames และ NASA Johnson ทดสอบวัสดุป้องกันความร้อนขั้นสูงที่อาจใช้ในแผงป้องกันความร้อนของ Orion “อุณหภูมิสูงพอ (ระหว่างที่แคปซูล Orion กลับจากดวงจันทร์ในช่วงสุดท้ายของการบินผ่านชั้นบรรยากาศโลก) ที่คุณต้องไปยังสิ่งที่เรียกว่าวัสดุระเหย” จอห์น บัลโบนี วิศวกรของ NASA Ames ผู้ซึ่งทำงานด้วยกล่าว สิ่งอำนวยความสะดวก Ames arc jet "วัสดุที่ระเหยได้ถูกออกแบบมาให้ค่อยๆ . . . เผาไหม้ไปในแบบควบคุม และในลักษณะที่การระเหยนี้จะนำพาความร้อนบางส่วนออกจากพื้นผิวและปกป้อง (มัน) จากก๊าซร้อนยวดยิ่งที่อยู่ด้านบน" เขา อธิบาย วิศวกรกล่าวว่าเป็นการยากที่จะคาดเดาอุณหภูมิของวัสดุระหว่างการกลับเข้าใหม่ เนื่องจากอุณหภูมิขึ้นอยู่กับว่าวัสดุนั้นๆ ระเหยหรือเผาไหม้อย่างไร “กุญแจสำคัญที่แท้จริงในการทำความเข้าใจความสามารถในการปฏิบัติงานของวัตถุที่ต้องการทดสอบคือต้องอยู่ภายใต้อัตราความร้อนที่คาดว่า Orion จะเห็นเมื่อ (ก) เดินทางกลับจากดวงจันทร์” รอยเตอร์ตั้งข้อสังเกต อาร์คเจ็ตของ Ames หรือที่รู้จักในชื่อ Interaction Heating Facility (IHF) เป็นที่ที่ดำเนินการทดสอบวัสดุป้องกันความร้อนขั้นสูงของ Orion IHF เป็นโรงงานอาร์คเจ็ตที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา โรงงานขนาดใกล้เคียงกันตั้งอยู่ในอิตาลี อาร์มเจ็ต Ames เมื่อรวมกับอาร์คเจ็ตที่ NASA Johnson Space Center สามารถจำลองช่วงของอัตราความร้อนที่คาดว่าแคปซูล Orion จะพบขณะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก เครื่องบินไอพ่นอาร์คทั้งสองลำของ NASA มีประวัติอันยาวนานซึ่งรวมถึงการทดสอบระบบป้องกันความร้อนสำหรับยานอวกาศ NASA ทุกลำ Ames arc jet ใช้พลังงานไฟฟ้าสูงถึง 60 เมกะวัตต์ และสามารถเน้นพลังงานความร้อนจำนวนมากไปยังตัวอย่างวัสดุป้องกันความร้อน แม้ว่าอาร์คเจ็ตจะมีขนาดและความสามารถในการใช้พลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก แต่โรงงานของ Ames สามารถทดสอบได้เพียง 'คูปอง' หรือวัสดุแผ่นเล็ก ๆ ที่อาจใช้ในแผ่นกันความร้อนขั้นสูง Orion รุ่นใหม่ Balboni กล่าวว่า "เมื่อคุณเดินเข้าไปในห้องทดลอง Arc Jet (ที่ NASA Ames) คุณจะเห็นเครื่องเป่าลมขนาดเท่าห้อง" "มันวางราบบนม้านั่ง ล้อมรอบด้วยท่อน้ำหลายพันท่อ น้ำที่ใช้เพื่อทำให้อุปกรณ์ทำความร้อนเย็นลงเพราะอุณหภูมิสูงมาก อุณหภูมิจะสูงเป็นสองถึงสามเท่าของพื้นผิวดวงอาทิตย์" เขาเพิ่ม. จากข้อมูลของ Balboni อุปกรณ์จะยิงก๊าซร้อนเข้าไปในห้องสุญญากาศขนาดใหญ่ "ซึ่งหลังจากการทดสอบ คุณสามารถเปิดประตูและเดินเข้าไปได้ แต่ในระหว่างการทดสอบ มันปิดอยู่ มันถูกอพยพโดยระบบสูบน้ำสุญญากาศขนาดมหึมา ดังนั้น (ระหว่างการทดสอบ) ก๊าซร้อนยวดยิ่ง (ไหล) เข้าไปในสุญญากาศ (ห้อง) และนั่นคือจุดที่การทดสอบเกิดขึ้น เนื่องจากสุญญากาศถูกใช้เพื่อจำลองระดับความสูงที่สูงมากซึ่งเกิดความร้อนขึ้น" Balboni กล่าวต่อ การทดสอบด้วยความร้อนด้วยอาร์คเจ็ตจะนำตัวอย่างวัสดุ "เข้าสู่การจำลอง (เข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก) ในช่วงเวลาตั้งแต่วินาทีไปจนถึงหลายนาทีหรือนานถึงครึ่งชั่วโมง" ตามรายงานของ Balboni "จากนั้นวัสดุเหล่านี้จะถูกให้ความร้อน (ในลักษณะที่ใกล้เคียง) วิธีที่พวกมันจะได้รับความร้อนเมื่อบินผ่านชั้นบรรยากาศ และด้วยวิธีนี้ วิศวกรจึงมีข้อมูลที่ถูกต้องในการออกแบบแผ่นกันความร้อนนั้นเพื่อให้คุณ มีความมั่นใจว่ามันจะปกป้องยานอวกาศจากอุณหภูมิที่รุนแรงเหล่านั้น และมันจะอยู่รอดได้ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนระอุทั้งหมด" “ฤดูร้อนนี้ เราจะออกสัญญากับผู้ให้บริการวัสดุ TPS (แผ่นกันความร้อน) สำหรับการผลิตชุดสาธิตการผลิต (MDU) ของแผ่นกันความร้อนอย่างเต็มรูปแบบ” รอยเตอร์กล่าว บริษัทต่างๆ จะใช้เวลาประมาณหนึ่งปีในการสร้างหน่วยสาธิต ตามที่วิศวกรระบุ “เราจะให้ผู้รับเหมาหลายรายสร้างหน่วยสาธิตการผลิตรวมถึงตัวอย่างวัสดุที่จำเป็นสำหรับการทดสอบอาร์คเจ็ตเพิ่มเติมอย่างละเอียดยิ่งขึ้น” รอยเตอร์กล่าว "ในขณะที่กำลังสร้าง MDU เราจะทำการทดสอบความร้อน โครงสร้าง และสิ่งแวดล้อมในสภาวะที่หลากหลาย" การทดสอบโครงสร้างจะเกี่ยวข้องกับการทดสอบการดัดและแรงดึง เช่นเดียวกับการทดสอบการสั่นสะเทือนและเสียง การทดสอบการสั่นสะเทือนและอะคูสติกหรือเสียงเป็นการจำลองสภาวะสุดขั้วที่เกิดขึ้นในระหว่างการปล่อยตัว การทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมจะรวมถึงการทดสอบความร้อนและสุญญากาศที่จำลองกลุ่มดาวนายพรานที่โคจรรอบโลกและหมุนวนจากความหนาวเย็นในตอนกลางคืนไปสู่ความร้อนในตอนกลางวัน แผนปัจจุบันกำหนดให้หน่วยป้องกันความร้อนสาธิตที่ผลิตขึ้นขนาดเต็มจัดส่งไปยัง NASA Kennedy Space Center เพื่อรับการประเมิน วิศวกรจะทำการทดสอบแบบไม่ทำลายเพื่อประเมินคุณภาพการสร้างชุดป้องกันความร้อน