لا شك أن الدروع الواقية من الحرارة هي أحد أهم الأجزاء في أي مركبة فضائية تنوي الدخول إلى الغلاف الجوي. والمواد المصنوعة منها أمر بالغ الأهمية للغاية. ومع ذلك، فقد كان تحسينها تحديًا كبيرًا، حيث لا يحصل الباحثون عادةً إلا على صور “قبل” و”بعد” عندما يكمل الدرع الحراري وظيفته في مساعدة المركبة الفضائية على الهبوط بأمان على الأرض. لكن هذا تغير مؤخرًا، بالتعاون بين وكالة ناسا ومصدر الضوء المتقدم (ALS) الموجود في مختبر لورانس بيركلي الوطني، والذي سمح للباحثين بمشاهدة الدرع الحراري ينهار في الوقت الفعلي.
يعد الانهيار أيضًا جزءًا رئيسيًا مما يفعله الدرع الحراري. تسمح هذه العملية، المعروفة تقنيًا باسم “الاجتثاث”، للطاقة الحرارية الناتجة عن العودة بالانتقال إلى قطع من المادة، والتي تسقط بعد ذلك بعيدًا عن المركبة الفضائية نفسها، آخذة معها تلك الطاقة الحرارية بعيدًا. لقد كان هذا منذ فترة طويلة هو المعيار للدروع الحرارية في كل شيء بدءًا من كبسولات ميركوري وحتى كبسولات أوريون المستخدمة في أرتميس.
ومع ذلك، هناك بعض العيوب الواضحة للنظام. الاستئصال لا رجعة فيه، ويجب عادةً استبدال المادة بعد كل استخدام. من الصعب أيضًا محاكاتها بشكل استثنائي – على سبيل المثال، أظهرت الرحلة التجريبية غير المأهولة الأخيرة لـ Artemis I تفحمًا غير متوقع، وحتى بعض الخسارة غير المتكافئة للمواد القاتلة التي لم تكن متوقعة بناءً على العديد من عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها قبل المهمة نفسها. إنه بالضبط هذا النوع من الفيزياء غير المتوقعة وغير المتكافئة التي يمكن أن تؤدي إلى فقدان المعدات، على الرغم من لحسن الحظ، نجحت Artemis في الهبوط في المحيط الهادئ.
يتحدث فريزر عن كيف يمكن للدروع الحرارية أن تساعد في إنقاذ الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام.
ولسد فجوة المحاكاة هذه، يحتاج العلماء إلى فهم ما يحدث أثناء تجربة تسخين المواد إلى درجة حرارة 1650 درجة مئوية أثناء إعادة الدخول، بدلاً من مجرد النظر إلى العواقب. هذا هو المكان الذي يأتي فيه ALS.
صمم الباحثون في LBNL غرفة متخصصة تعرض المواد لدرجة حرارة تصل إلى 900 درجة مئوية، وهي درجة الحرارة التي تبدأ فيها مادة الدرع الحراري في التحلل. كما أنها سمحت لهم بتغيير الضغط وتكوين الغاز الجوي لتقليد بعض ميزات عملية إعادة الدخول، على الرغم من أن سمة رئيسية – سرعة الهواء – تبدو مفقودة من قدرات الغرفة.
الميزة الكبيرة لـ ALS ليست غرفة الاختبار المتخصصة – بل نظام التصوير. أثناء وضع عينات مادة الدرع الحراري داخل الحجرة، تم إخضاعها للتصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (micro-CT). بمعنى آخر، تمكن الفريق من التقاط صور هيكلية ثلاثية الأبعاد لمادة الدرع الحراري أثناء تحللها بشكل نشط.
وفقًا لفيشنو أوروجانتي، وهو طالب دكتوراه سابقًا في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين ويعمل الآن في مركز جونسون للفضاء التابع لناسا، وأحد الباحثين الرئيسيين في المشروع، “تمت دراسة كل مواد الدرع الحراري الرئيسية التابعة لناسا تقريبًا باستخدام هذه التقنية في مصدر الضوء المتقدم، بما في ذلك تلك المتعلقة بمهمتي دخول أرتميس والمريخ”. وشملت تلك المواد مادتين بارزتين أظهرتا خصائص تحلل مختلفة جدًا.
مهندسون يعملون على الدرع الحراري Artemis II في مركز كينيدي للفضاء. الائتمان – ناسا
يتضمن SLA-561V نوعًا من الفلين المطحون كحشو طبيعي، ولاحظ الباحثون أن جزيئات الفلين الموجودة في هذا الدرع الحراري تتبخر بسرعة عند التسخين، مما يخلق فراغات مجوفة في المادة. من ناحية أخرى، يتحلل SLA-220، وهو نوع من مادة مصفوفة السيليكون المطاطية، إلى مجموعة من القنوات الصغيرة المترابطة والمتفرعة، مما يسمح للغازات الساخنة بالتنفيس بسرعة في جميع أنحاء الدرع.
إن الاختلافات في هذه العمليات لها تأثير أساسي على كيفية أداء المركبة الفضائية أثناء إعادة الدخول، ولكن الوصول إلى هذا الفهم لم يكن سهلاً. في الواقع، كان على الباحثين أن يواجهوا سؤال التصوير الكلاسيكي: هل من الأفضل أن تكون سريعًا أم دقيقًا؟ إذا قرروا التقاط صور مفصلة للغاية للمادة أثناء تحللها، فإن الصور ستأتي ببطء بما فيه الكفاية بحيث قد تفوتهم بعض التغييرات فيها. ومن ناحية أخرى، إذا قرروا التقاط الصور بسرعة، فسوف يفقدون بعض الدقة التي توضح كيفية تغير الهيكل.
ولمعالجة هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى الذكاء الاصطناعي، وقاموا على وجه التحديد بتدريب خوارزمية شبكة الخصومة التوليدية (GAN). سمح لهم ذلك بإجراء عمليات مسح ضوئي متوسطة الدقة “سريعة” ثم تحويل تلك الصور ذات الدقة الأقل قليلاً إلى سجلات عالية الدقة وثلاثية الأبعاد سريعة للمادة أثناء تشويهها وتفحمها وتجويفها.
ما لم يفعله الباحثون حتى الآن هو تحديث عمليات المحاكاة التي يستخدمها المهندسون لحساب الكيفية التي يتوقعون بها سلوك الدروع الحرارية. كما أنهم لم يجروا أي تحليل للدروع الحرارية المستخدمة في المركبات التجارية مثل Dragon (الذي يستخدم ممتص الكربون المشرب بالفينول – PICA-X) أو بلاط السيراميك القابل لإعادة الاستخدام الخاص بـ Starship، وكلاهما من تكنولوجيا SpaceX المملوكة. ولكن، نظرًا لفائدة نظام التصوير هذا، فقد يكون الأمر مجرد مسألة وقت قبل أن تطرق الشركة المسؤولة عن الغالبية العظمى من عمليات إعادة الدخول اليوم باب LBNL.
يتعلم أكثر:
LBNL – العلماء يحصلون على نظرة في الوقت الحقيقي داخل الدروع الحرارية للمركبات الفضائية أثناء ظروف الحرارة الشديدة
UT – الدروع الحرارية للمركبات الفضائية قد “تنفجر” بعنف عند انغماسها في أجواء الكائنات الفضائية
UT – العلماء يطورون إعداد اختبار لطريقة جديدة للبقاء على قيد الحياة عند العودة
UT – درع حراري مبتكر لا يلزم استبداله بين المهام
