التخطيط لإعادة الدخول هو أحد أكثر الجوانب صعوبة في استكشاف الفضاء وتصميم المركبات الفضائية. حتى في حالة الكواكب ذات الغلاف الرقيق مثل المريخ ، من المعروف أن دخول الغلاف الجوي للكوكب يسبب قدرًا كبيرًا من الحرارة والاحتكاك. لهذا السبب ، تم تجهيز المركبات الفضائية دائمًا بالدروع الحرارية لامتصاص هذه الطاقة وضمان عدم تحطم المركبة الفضائية أو حرقها أثناء العودة.
لسوء الحظ ، يجب أن تعتمد المركبة الفضائية الحالية على دروع ضخمة قابلة للنفخ أو منتشرة ميكانيكيًا ، والتي غالبًا ما تكون ثقيلة ومعقدة في الاستخدام. لمعالجة هذا ، طور طالب دكتوراه من جامعة مانشستر نموذجًا أوليًا للدرع الحراري الذي سيعتمد على قوى الطرد المركزي لتشديد المواد المرنة وخفيفة الوزن. هذا النموذج الأولي ، وهو الأول من نوعه ، يمكن أن يقلل من تكلفة السفر إلى الفضاء ويسهل المهام المستقبلية إلى المريخ.
تم اقتراح هذا المفهوم من قبل روي وو ، طالب دكتوراه من كلية مانشستر للميكانيكا والفضاء والهندسة المدنية (MACE). وانضم إليه بيتر سي.روبرتس وكارل درايفر - محاضر أول في هندسة المركبات الفضائية ومحاضر في MACE ، على التوالي - وقسطنطينوس سوتيس من جامعة مانشستر لأبحاث الفضاء.
وببساطة ، تسمح الكواكب ذات الأجواء للمركبة الفضائية باستخدام السحب الأيروديناميكي للإبطاء استعدادًا للهبوط. تخلق هذه العملية كمية هائلة من الحرارة. في حالة الغلاف الجوي للأرض ، تتولد درجات حرارة 10000 درجة مئوية (18000 درجة فهرنهايت) ويمكن أن يتحول الهواء المحيط بالمركبة الفضائية إلى بلازما. لهذا السبب ، تتطلب المركبة الفضائية درعًا حراريًا مثبتًا في الواجهة الأمامية يمكنه تحمل الحرارة الشديدة وهو ديناميكي هوائي في الشكل.
عند الانتشار على كوكب المريخ ، تختلف الظروف إلى حد ما ، ولكن التحدي لا يزال كما هو. في حين أن الغلاف الجوي للمريخ أقل من 1٪ من الغلاف الجوي للأرض - بمتوسط ضغط سطحي يبلغ 0.636 كيلو باسكال مقارنة بـ 101.325 كيلو باسكال - لا تزال المركبة الفضائية تتطلب دروعًا حرارية لتجنب الاحتراق وتحمل أحمال ثقيلة. يحتمل أن يحل تصميم وو كلا من هاتين المشكلتين.
يسعى تصميم النموذج الأولي ، الذي يتكون من درع على شكل تنورة مصمم للدوران ، إلى إنشاء درع حراري يمكنه استيعاب احتياجات البعثات الفضائية الحالية والمستقبلية. كما أوضح وو:
"يجب أن تكون المركبة الفضائية للبعثات المستقبلية أكبر وأثقل من أي وقت مضى ، مما يعني أن الدروع الحرارية ستصبح أكبر من أن تتزايد ... . "
وصف وو وزملاؤه مفهومهم في دراسة حديثة ظهرت في المجلةأركا أسترونوتيكا (بعنوان "الدروع الحرارية المرنة التي تنشرها قوة الطرد المركزي"). يتكون التصميم من مادة متقدمة ومرنة تتحمل درجة حرارة عالية وتسمح بسهولة الطي والتخزين على متن مركبة فضائية. تصبح المادة صلبة عندما يستخدم الدرع قوة الطرد المركزي ، والتي يتم تحقيقها بالتدوير عند الدخول.
حتى الآن ، أجرى وو وفريقه اختبار السقوط باستخدام النموذج الأولي من ارتفاع 100 متر (328 قدمًا) باستخدام بالون (يتم نشر مقطع الفيديو الخاص به أدناه). كما أجروا تحليلًا ديناميكيًا هيكليًا أكد أن الدرع الحراري قادر على الانخراط تلقائيًا في معدل دوران كافٍ (6 دورات في الثانية) عند نشره من ارتفاعات أعلى من 30 كم (18.64 ميل) - والذي يتزامن مع طبقة الستراتوسفير للأرض.
أجرى الفريق أيضًا تحليلًا حراريًا أشار إلى أن الدرع الحراري يمكن أن يقلل درجات حرارة الواجهة الأمامية بمقدار 100 كلفن (100 درجة مئوية ؛ 212 درجة فهرنهايت) على سيارة بحجم CubeSat دون الحاجة إلى عزل حراري حول الدرع نفسه (على عكس الهياكل القابلة للنفخ) ). كما أن التصميم ذاتي التنظيم ، مما يعني أنه لا يعتمد على آلات إضافية ، مما يقلل من وزن المركبة الفضائية بشكل أكبر.
وخلافا للتصاميم التقليدية ، فإن نموذجها الأولي قابل للتوسع للاستخدام على متن مركبات فضائية أصغر مثل CubeSats. من خلال تجهيزها بمثل هذا الدرع ، يمكن استعادة CubeSats بعد أن تعود إلى الغلاف الجوي للأرض ، لتصبح قابلة لإعادة الاستخدام بشكل فعال. كل هذا يتماشى مع الجهود الحالية لجعل استكشاف الفضاء والبحث فعالًا من حيث التكلفة ، جزئيًا من خلال تطوير الأجزاء القابلة لإعادة الاستخدام والقابلة للاسترجاع. كما أوضح وو:
"يجري المزيد والمزيد من الأبحاث في الفضاء ، ولكن هذا عادة ما يكون مكلفًا للغاية ويجب أن تشترك المعدات مع المركبات الأخرى. نظرًا لأن هذا النموذج خفيف الوزن ومرن بما يكفي للاستخدام على الأقمار الصناعية الأصغر ، يمكن أن يكون البحث أسهل وأرخص. سيساعد الدرع الحراري أيضًا على توفير التكلفة في مهام الاسترداد ، حيث يؤدي السحب العالي المستحث إلى تقليل كمية الوقود المحروق عند إعادة الدخول ".
عندما يحين وقت نشر مركبة فضائية أثقل على كوكب المريخ ، والتي من المحتمل أن تتضمن مهام طاقم ، فمن المحتمل تمامًا أن تتكون الدروع الحرارية التي تضمن وصولها إلى السطح بأمان من مواد خفيفة الوزن ومرنة تدور لتصبح صلبة. في هذه الأثناء ، يمكن لهذا التصميم تمكين أنظمة دخول خفيفة الوزن وصغيرة الحجم للمركبات الفضائية الصغيرة ، مما يجعل أبحاث CubeSat أكثر بأسعار معقولة.
هذه هي طبيعة استكشاف الفضاء الحديث ، والتي تدور حول خفض التكاليف وجعل المساحة أكثر سهولة. وتأكد من التحقق من هذا الفيديو من اختبار انخفاض الفريق أيضًا ، من باب المجاملة Rui Wui وفريق MACE:
