Дыхание сквозь огонь: как состав атмосферы меняет правила игры для теплозащитных экранов

Вход в атмосферу планеты — опасный маневр для любого космического аппарата, ведь ему приходится выдерживать интенсивное трение, вызывающее нагрев при столкновении с атомами и молекулами на высоких скоростях.

Именно поэтому посадочные модули и марсоходы оснащены теплозащитными экранами. Новое исследование, проведенное в инженерном колледже Грейнджера Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, показывает, что состав атмосферы оказывает значительное влияние на работу этих экранов.

При столкновении с атмосферой теплозащитный экран начинает «дышать». Его поверхность постепенно выгорает в процессе, называемом абляцией. Чтобы смоделировать гиперзвуковую скорость входа космического аппарата, команда исследователей под руководством Франческо Панераи, профессора кафедры аэрокосмической техники, провела эксперименты с теплозащитными экранами в аэродинамической трубе «Плазматрон X», расположенной в Центре гиперзвуковых исследований и систем входа.

«Что нас очень удивило в этом исследовании, так это то, что при смене газа абляционное явление вело себя по-разному», — заявил Панераи в заявлении от 12 марта. «В классической воздушной среде, где присутствует кислород, абляция происходит равномерно. Поток вокруг аппарата эродирует поверхность, и частицы выбрасываются постоянным потоком».

Когда внешний слой теплозащитного экрана разрушается, часть материала может оседать на поверхности, потенциально закупоривая некоторые участки и не давая нижележащему материалу «дышать». Это может повлиять на эффективность экрана. В новом исследовании ученые обнаружили, что изменение состава газов, с которыми контактирует экран, также меняет его характеристики.

«Когда кислород удаляется, этот процесс становится нестабильным, — пояснил Панераи. — Наблюдаются прерывистые выбросы частиц, а иногда процесс становится даже агрессивным. Я занимаюсь исследованиями абляции более 15 лет, но никогда не видел ничего подобного. Мы были очень удивлены, когда впервые заметили такое поведение в трубе».

Понимание того, как состав атмосферы влияет на теплозащитные экраны, крайне важно, отметил Панераи, поскольку NASA готовит «Драгонфлай» (Dragonfly) — роботизированный винтокрылый аппарат — к запуску в 2028 году к Титану, огромному спутнику Сатурна. Титан обладает плотной атмосферой, которая сильно отличается от земной: она состоит примерно на 95% из азота и на 5% из метана, в то время как наша — на 78% из азота и на 21% из кислорода.

«Драгонфлай» будет изучать поверхность Титана, что может дать ученым ключ к разгадке: содержат ли углеводородные озера и реки этого спутника молекулы, являющиеся предшественниками жизни.

Результаты этого исследования открывают новые горизонты для проектирования межпланетных миссий. В отличие от Земли или Марса, где преобладает кислородсодержащая атмосфера, условия на Титане требуют принципиально иного подхода к защите космических аппаратов. Нестабильный режим абляции, обнаруженный учеными в среде, имитирующей титановую (азотно-метановую смесь), означает, что инженерам, возможно, придется отказаться от традиционных моделей равномерного выгорания теплозащиты.

«Хотя эта работа напрямую не влияет на конструкцию теплозащитного экрана для Dragonfly, она имеет очень глубокие последствия для физики материала — для того, как материал ведет себя при экстремальных температурах, — говорит Панераи. — Понимание условий, при которых это явление становится преобладающим в реальном полете, поможет нам создавать более надежные и предсказуемые теплозащитные экраны в будущем».

Исследование было опубликовано 5 февраля в научном журнале Carbon. Ученые планируют продолжить серию экспериментов, чтобы точно определить порог перехода от стабильной эрозии к импульсным выбросам частиц, что позволит создать новое поколение абляционных материалов, способных адаптироваться к химически разнообразным атмосферам небесных тел.