Як зменшити вагу теплозахисного щита
Френк Тобе | 21 листопада 2014 року
Наземний випробувальний апарат "Оріон" у космічному центрі Кеннеді НАСА. Круговий тепловий екран видно біля самої основи автомобіля. Зображення надано NASA.
Захищений снарядом своєї ракети-носія під час вибуху, багатоцільовий екіпажний апарат (MPCV) НАСА повинен повернутися на землю самостійно в кінці місії. Щоб забезпечити безпеку капсули та екіпажу під величезними навантаженнями, що надходять назовні та розбризкуються - температури перевищують 4800 ° F та швидкість до 25000 миль/год - 16,4 футів. Аблятивна система термозахисту діаметром закріплена на основі MPCV вуглецевим графітом та титановою несучою структурою.
Коли тепловий екран досягає надзвичайно високих температур, його частина відпадає від автомобіля, щоб видалити надмірну теплову енергію. Решта носійної конструкції повинна пережити удар, потрапивши у воду, щоб допомогти зберегти модуль космонавта цілим.
Наприкінці літа 2012 року головний інженер NASA для проекту "Оріон" Джулі Крамер зв'язалася з Центром техніки та безпеки космічного агентства (NESC) і попросила кілька нових ідей щодо зменшення маси космічного корабля. Місія NESC полягає у проведенні незалежних випробувань, аналізу та оцінки проектів НАСА з високим ризиком для забезпечення безпеки та успіху місії.
(Вгорі) Тест на викид багатоцільового екіпажу автомобіля Orion та (знизу) програмне моделювання навантажень на транспортний засіб під час надзвичайно динамічної події.
Як зняти вантаж
Приблизно 3000 фунтів, “базовий” композит-титановий дизайн конструкції несучої форми колеса, що підтримує систему теплового захисту MPCV, є одним з найбільших компонентів модуля екіпажу та головним завданням для зменшення ваги.
Команда дизайнерів, до складу якої входив Майк Кірш, керівник проекту та головний інженер групи з оцінки конструкції носіїв теплового щита NESC Оріона та технічний керівник Джим Джинс, президент Structural Design & Analysis, Inc., використовувала HyperSizer від Collier Research Corp.
HyperSizer, перше в історії програмне забезпечення, комерціалізоване в NASA, аналізує напруження, оптимізує розміри та зменшує вагу літаків, лопаток вітрових турбін та інших конструкцій. Незалежно від того, розроблені вони з композитних або металевих матеріалів, типова оптимізація HyperSizer забезпечує економію ваги від 25 до 40%.
Альтернативні структурні поняття
Базова конструкція теплового екрану складалася із суцільної ламінованої вуглецево-графітової оболонки, закріпленої на капсулі несучою конструкцією зі схожим на спиці малюнком з титанових двотаврових балок у формі колеса. Конструкції з вуглецевого графіту пристосовані для того, щоб модифікації продовжували вноситися на шляху до остаточного виробництва. З початковою метою вирізати 800 фунтів, команда NESC розглянула як матеріальні, так і структурні зміни базової лінії.
"Нам потрібно було створити більш легку конструкцію, яка все ще могла б протистояти аеродинамічному тиску відновлення атмосфери Землі і підтримувати систему теплового захисту, щоб абляційний матеріал в тепловому екрані міг виконувати свою роботу", - сказав Кірш. «Повторний вхід - це досить важкий випадок навантаження. Але ще важливіше, коли модуль екіпажу насправді потрапляє у воду. Ця водна посадка - це подія, яка зумовлює конструкцію конструкції несучого теплозахисного екрану. Використовуючи парашути, ми намагаємося витягнути з нього якомога більше енергії перед цим ударом, що є складною, динамічною ситуацією, заснованою на умовах вітру та хвиль. В ідеалі ви хочете, щоб капсула була ножем, а не шлунком. Конструкція повинна бути надійною до широкого спектру можливих вітрових та хвильових умов ".