NASA-ingeniørene sliter med å bygge et bedre varmeskjold

Et bilde av Helen Hwang Jessica Chou

I flere måneder fortsatte prøvene å smelte. Dette var ikke akkurat overraskende — den korkfylte bikaken av glassfiber ble utsatt for en varmeeksplosjon fire ganger mer intens enn hva romfergens forkant motsto da den kom inn i jordens atmosfære igjen. Det var som å sette verdens varmeste ovn midt i den kraftigste vindtunnelen.

De samme materialene hadde allerede beskyttet alle USAs tidligere Mars-landere fra varmen fra å treffe Mars-atmosfæren med nesten 16.000 kilometer i timen. Men det skulle ikke være godt nok lenger. Skjoldet til Mars Science Laboratory (MSL) må tåle omtrent 250 watt energi per kvadratcentimeter — omtrent 10 ganger varmen opplevd av Viking, USAs første Mars-lander, som havnet på planeten i 1976. Det er fordi MSL, planlagt oppskyting i august 2009, ville være tre ganger tyngre enn Viking. Curiosity-roveren som MSL skulle bære var omtrent fem ganger tyngre enn Spirit og Opportunity-roverne, som hadde landet trygt på Mars i 2004. MSLs størrelse og vekt var ikke uløselige problemer i seg selv. Men datasimuleringer viste at sondens enorme vekt ville resultere i kraftig turbulens, noe som førte til mer alvorlige forhold enn noen tidligere Mars-varmeskjold ville ha tålt. Og når de snudde varmeskjoldmaterialet sidelengs til den motgående strømmen av varm luft for å simulere turbulens, ville honeycomb-celler i det sprette, noe som førte til en kjedereaksjon av feil. Testen så ulikt noe vi noen gang hadde sett før, husker Helen Hwang, en forsker ved NASAs Ames Research Center i Silicon Valley som var ansvarlig for MSLs termiske beskyttelsessystem på den tiden.

Denne historien var en del av vår utgave av juli 2019

• Se resten av saken
• Abonnere

I kjølvannet av disse feilene møtte Hwangs team en alvorlig tidsklemma. Det var 2007, og lanseringen var planlagt om mindre enn to år. Det var to alternativer, slik hun så det: redesigne oppdraget for å prøve å redusere varmeforholdene, eller komme opp med et nytt varmeskjoldmateriale. Det første alternativet ville begrense hvor roveren kunne lande og de vitenskapelige instrumentene den kunne bære. Det andre alternativet betydde at de måtte designe, utvikle, teste og bygge et nytt varmeskjold på mindre enn 18 måneder. Det alternativet var risikabelt, men det ville tillate oppdraget å gjøre all vitenskapen det var ment å gjøre.

De valgte det andre alternativet.

Etter hvert som menneskelige ambisjoner vokser i verdensrommet, må vår oppfinnsomhet matche dem. For å utforske de tette atmosfærene til planeter som Venus eller Saturn, trenger vi ultra-robuste varmeskjold som kan håndtere intenst trykk. For å sende Mars-prøver tilbake til jorden, trenger vi uforgjengelige varmeskjold som vil forhindre fremmede livsformer fra å forurense planeten vår, eller omvendt. Landing av mennesker på andre planeter vil kreve aeroshell i superstørrelse, inngangskapslene beskyttet av varmeskjold, med en diameter på nesten 20 meter (66 fot) eller mer. Ingenting i nærheten av den skalaen har noen gang blitt fløyet til Mars før.

Utfordringene med å utvikle disse teknologiene vil være enorme, men det vil også belønningene hvis de trygt leverer roboter og mennesker til nye grenser. Uten banebrytende fremskritt innen aeroshell og varmeskjold, vil slike oppdrag være meningsløse – de vil bare brenne opp i atmosfæren.

Hvis du går ut i verdensrommet, er det to grunner til å senke farten: å returnere til jorden eller å stoppe ved et annet himmellegeme. En måte å bremse ned på er å bruke samme metode som du brukte for å øke hastigheten: raketter. Men dette betyr å bære mer rakettdrivstoff, noe som øker vekten. Som en praktisk sak er det fornuftig å bruke atmosfæren, hvis det er en. Men å overleve den resulterende varmen krever smarte materialer og smart formet romfartøy.

De smarte formene oppsto på 1950-tallet ved Ames Research Center, samme sted hvor Hwang senere skulle jobbe med å utvikle MSL-varmeskjoldet. Harry Julian Harvey Allen, som ledet Ames High-Speed ​​Research Division på begynnelsen av 1950-tallet, utviklet den såkalte butte kroppen, som skulle ha en flat, bred side for å ta støyten av varmen. Allen og en kollega jobbet med teorien det neste året. De innså at en sløv kropp ville skape en sterk sjokkbølge foran den, som ledet mye av varmen bort fra kjøretøyet. De satte så sammen den andre brikken i puslespillet: ablasjon. Dette betyr å bruke materialer som er designet for å dekomponere og erodere ved innkjøring, og skape et forkullet lag som effektivt skyver varmen bort fra kjøretøyet.

Konseptet med stump kropp ble opprinnelig møtt med skepsis, og det forble klassifisert til 1957. Men i mai 1961, da Alan Shepard ble den første amerikaneren som besøkte verdensrommet, brukte hans Friendship 7-kapsel et konisk sløvt ansikt for å returnere trygt til jorden.

På grunn av Apollo-programmet var nye ablative materialer et veldig aktivt forskningsområde på 1960-tallet. For Apollo henvendte NASA seg til et selskap kalt Avco, som spesialiserte seg på materialer for langdistansemissilstridshoder. Et 2,7-tommers tykt lag av Avcoat, et varmeskjoldmateriale laget av epoksyharpiks i en glassfibermatrise, absorberte den verste varmen da Apollo kom tilbake.

HEEET er beregnet på å komme inn i ekstreme miljøer, som de på Saturn eller Neptun. Jessica Chou

For Viking-oppdragene – som skulle lansere de første vellykkede Mars-landere på 1970-tallet – brukte NASA et nytt materiale kalt SLA-561V. I likhet med Avcoat er SLA (for superlett ablator) basert på en bikakestruktur fylt med gobs av ablativ harpiks. Men ingeniørene hos Martin Marietta, selskapet som utviklet materialet, integrerte også lettere bestanddeler, som silisium og kork, for å redusere tettheten.

Romfergene, som først ble lansert på 1980-tallet, trengte en helt ny tilnærming. Skytlene var ment å kunne gjenbrukes, og det gjaldt varmeskjoldene også. I stedet for et stoff som SLA, ble skyttlene beskyttet med forsterket karbon-karbon på nesehetten og forkantene av vingene, og av keramiske fliser på magen.

Hwang, som vokste opp i en liten by i Iowa, husker at han håndterte en romfergeflis i en skolepresentasjon. Erfaringen plantet ønsket om en dag å jobbe med varmeskjoldteknologier. Etter å ha oppnådd doktorgraden i plasmafysikk ved University of Illinois, Urbana-Champaign, tok hun en jobb ved Ames Research Center, men en som ikke hadde noe med varmeskjold å gjøre. I flere år jobbet hun med å bruke plasmaer til å etse kretsløp i mikrobrikker. Da finansieringen ble knapp, byttet hun til varmeskjold, og realiserte sin barndomsambisjon.

Da Hwang fikk i oppgave å lage et varmeskjold for MSL-prosjektet i 2006, henvendte hun seg først til SLA. Men det ble ganske raskt klart at SLA ikke kom til å fungere. Vi klarte aldri å isolere hva som forårsaket feilen, sier Hwang, men feilen kunne gjentas; vi testet i mange forskjellige anlegg, og vi så den samme feilen under forskjellige forhold.

Det var imidlertid ikke mange andre alternativer. Det eneste levedyktige valget var noe som ble kalt fenolimpregnert karbonablator (PICA), som ble utviklet i Ames på 1990-tallet for Stardust-oppdraget – den første som returnerte prøver fra en komet, og den raskeste atmosfæriske gjeninntreden i historien. Stardust hadde brukt ett kontinuerlig stykke PICA, men MSL var for stort til at den tilnærmingen var praktisk. De måtte i stedet lage fliser av materialet og designet Mars-sonden for å dekkes med dem, og gjorde det på en måte som ikke tillot strømlinjene av gass å strømme langs de potensielt sårbare sømmene mellom flisene. Det var det første flislagte ablative varmeskjoldet, og det største aeroshell som noen gang er fløyet. (Den samme løsningen brukes nå av SpaceX for sin Dragon-kapsel. NASA lånte Dan Rasky, en av designerne av PICA i Ames, til SpaceX for å hjelpe til med å designe Dragons varmeskjoldmateriale, kjent som PICA-X.)

Jeg vil utforske solsystemet vårt. Vi har bare vært på en håndfull destinasjoner. Jeg vil gå til dem alle sammen.

Da MSL-lanseringsfristen nærmet seg, sprengte Hwang og teamet hennes PICA-prøver i Arc Jet Complex i Ames, og forbedret deres forståelse av materialet og gap-fyllere med hver nye test. De perfeksjonerte skjoldet sitt i tide til lanseringen i 2009 – bare for å se at oppdraget ble forsinket til 2011 for å sikre at andre systemer var klare. MSL landet til slutt på Mars i august 2012. Curiosity er fortsatt aktiv på Mars, og har vært så vellykket at NASA nå utvikler et nytt oppdrag, Mars 2020-roveren, basert på et lignende design. Hwang har endret rollen sin som styring av det termiske beskyttelsessystemet, som igjen vil bruke PICA for å skjerme romfartøyet når det går ned til Mars tidlig i 2021.

Jessica Chou

En av Mars 2020-roverens viktigste oppgaver vil være å samle prøver som en dag kan bli raketter tilbake til jorden av en fremtidig lander. Selv mens forskere lærer hvordan de kan lande neste generasjon romfartøy på andre verdener, jobber de også med å bringe fristende fremmede miljøer tilbake til jorden.

Hvis mennesker vil lande på Mars, vil det kreve varmeskjold som er minst fire ganger diameteren på den på MSL. Det er derfor NASA nå utvikler konsepter for utvidbare aeroshell som kan gjemmes inne i bæreraketten og settes inn i et større skjold i verdensrommet. Mye av dette arbeidet gjøres ved NASAs Langley Research Center i Virginia. Om morgenen den 23. juli 2012 sprengte en sonende rakett fra NASAs Wallops Flight Facility, over Chesapeake Bay fra Langley, på Virginias østlige kyst. Raketten bar et utplasserbart aeroshell kjent som en hypersonisk oppblåsbar aerodynamisk decelerator (HIAD), en bred, grunn kjegle som består av en oppblåsbar struktur av smultringformede rør. HIAD var mindre enn en halv meter i diameter, men en gang i verdensrommet ble den utplassert til tre meter. Å gjøre skjoldet bredere sprer varmen ved å komme inn igjen over et større område.

Raketten gikk 290 miles opp – godt over verdensrommet – og så blåste HIAD seg opp til full størrelse. Kameraer ombord fanget en utsikt over Atlanterhavet mens strukturen falt gjennom atmosfæren. HIAD-konseptet har prestert bra i disse flytestene, men noen mennesker er fortsatt uvillige til ideen om å beskytte Mars-bundne astronauter med et oppblåst aeroshell. Mange sier: 'Å, du har en oppblåsbar struktur - den kommer til å bøye seg som et bassengleketøy,' sier Robert Dillman, en romfartsingeniør ved Langley og medlem av HIAD-teamet. Denne tingen er ganske solid. Den ringer når du trykker på den.

Større aeroshell skyver sjokkbølger lenger bort fra romfartøyet, og gir mer beskyttelse mot inngangsvarme. Den gjenværende varmen avverges av et fleksibelt termisk beskyttelsessystem som dekker den oppblåsbare strukturen med slitesterke ytre tekstiler og isolasjon.

Den neste HIAD som planlegges å fly vil nå lav bane rundt jorden og utvide seg til seks meter. Men disse oppblåsbare konseptene er ikke de eneste utvidbare aeroshellene i arbeid. Et team hos Ames utvikler et sammenleggbart skjold kalt Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Laget av fleksible 3D-vevde karbonfibre, åpnes skjoldet som en paraply og holdes stødig av metallstag.

Hwang er også involvert i utviklingen av noe som kalles Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), som kan romme oppdrag til Venus, Saturn, Uranus og Neptun. HEEET er langt mer robust enn PICA og SLA-561V, og dermed bedre egnet for tette atmosfærer. Tradisjonelt har hvert oppdrag hatt et unikt varmeskjold, men dette gjør ting dyrere. Hwang håper å oppnå stordriftsfordeler - en slags Ford Model T for gjeninntreden.

Jeg vil utforske solsystemet vårt, sier hun. Vi har bare vært på en håndfull destinasjoner. Jeg vil gå til dem alle sammen.

Becky Ferreira er en vitenskapsreporter med base i Ithaca, New York. Arbeidet hennes har dukket opp i Wired og New York Times.

gjemme seg