Wysokorozwinięte metody charakterystyki i modelowania materiałów na osłony ablacyjne

Jednym z głównych wyzwań transportu kosmicznego jest sprowadzenie statku kosmicznego z powrotem na Ziemię lub doprowadzenie do bezpiecznego wkroczenia w atmosferę i lądowania na powierzchni innych planet. W fazie wejścia w atmosferę pojazd kosmiczny narażony jest na ekstremalne obciążenia termiczne. W gęstej atmosferze gazowego giganta, takiego jak Jowisz czy Saturn, obciążenia te mogą być o dwa lub nawet trzy rzędy wielkości większe niż te podczas powrotu do atmosfery ziemskiej. Rozwój efektywniejszych materiałów ma decydujące znaczenie dla misji międzyplanetarnych, takich jak ExoMars czy próbne misje powrotne.

Jednym ze sposobów na zarządzanie ładunkami termicznymi na statku kosmicznym, spowodowanymi przez potężne prędkości powrotu do atmosfery, jest ochrona jego konstrukcji materiałem o dostatecznej odporności. Najefektywniejszą metodą jest proces ablacji termicznej, który blokuje transfer ciepła ze względu na fazę transformacji ze stanu stałego w ciekły lub gazowy. Gazowe produkty ablacji usuwają ciepło z powierzchni w procesie odgazowywania.

Jednak większość materiałów na osłony ablacyjne dostępnych obecnie jest wynikiem badań przeprowadzonych ponad 20 lat temu. W ostatnich latach Europa zintensyfikowała działania na rzecz opracowania materiałów na osłony ablacyjne nowej generacji. Głównym celem finansowanego przez UE projektu "Advanced ablation characterization and modelling" (ABLAMOD) jest stworzenie lepszej charakterystyki materiałów, usprawnienie modelowania fizycznego i technik pomiarowych.

Zespół ABLAMOD zbadał trzy główne materiały na osłony ablacyjne na bazie kompozytów węglowo-fenolowych, krzemionkowo-fenolowych i korka. Do charakterystyki właściwości wysokiej entalpii przepływu i zachowania materiału w ekstremalnych warunkach aerotermicznych wykorzystano nowatorskie techniki spektroskopowe. Uzupełniające techniki pomiarowe pozwoliły określić właściwości materiałowe, takie jak gęstość, przewodność cieplna, pojemność cieplna i rozszerzalność cieplna na różnych poziomach procesu ablacji.

Zebrane dane doświadczalne posłużą za punkt startowy do opracowania i walidacji realistycznych modeli procesów ablacji. Zespół projektu ABLAMOD opracował moduły dla interakcji gazowo–powierzchniowych, zjawisk transportowych i promieniowania. Modularność narzędzia sprzęgającego te moduły oraz główny kod ablacji pozwalają na bardzo elastyczną symulację w różnych skalach czasu. Podejście projektu ABLAMOD do modelowania ablacji nie jest znane w Europie. Dzięki lepszemu wyjaśnieniu zjawisk fizycznych, badacze oczekują dużego postępu w kierunku ram predykcyjnych w zakresie modelowania ablacji, co pozwoli na dopasowanie materiałów do potrzeb określonych misji.