Varmeskjold
I romfart er varmeskjoldet et lag på et romfartøy som er ment å beskytte det mot varmen som genereres når det kommer inn i en atmosfære . Den grunnleggende utviklingen fant sted i begynnelsen av den kalde krigen - kjernefysiske eksplosiver skulle overleve re-entry . Svært akselererende raketter som det amerikanske antirakettmissilet Sprint og hypersoniske missiler krever også et varmeskjold.
Grunnleggende
Når atmosfæren kommer inn , reduseres romfartøyet sterkt av den omkringliggende atmosfæren. I prosessen varmes atmosfæren i sjokkfronten foran kjøretøyet veldig opp på grunn av kompresjon, og dermed også romfartøyet. Det ble oppdaget på 1950-tallet at en stump kropp og bølgen den genererer, sprer den resulterende varmen bedre enn en aerodynamisk formet kropp; imidlertid ville et slikt romfartøy brenne opp uten varmeskjold . Landingskapslene til bemannede romskip , romferger og romføler som lander på en planet eller måne med en tett atmosfære er som regel utstyrt med et varmeskjold for beskyttelse.
Det stilles enorme krav til materialet til varmeskjoldet, da det må tåle temperaturer på opptil flere tusen grader Celsius . Varmeskjoldet på den ene siden muligens effektivt spre varmen absorbert fra sjokkfronten til omgivelsene og på den andre siden på grunn av lav termisk ledningsevne til romfartøyet og dets nyttelast, z. B. Rom og utstyr, beskytt mot varmen.
Gjenbrukbare varmeskjold
Gjenbrukbare varmeskjermer som varmebeskyttelsesfliser i romferger består vanligvis av meget porøse glassfibermaterialer bundet ved sintring med et tett, sprøtt , temperaturbestandig tynt dekklag ( borsilikat ).
Deler av varmeskjoldet til romfergen som er utsatt for særlig belastning, som forkant av vingen, er laget av karbonfiberarmert karbon (CFC).
Ikke-gjenbrukbare varmeskjold
Denne kategorien inkluderer ablativ varmeskjold eller ablativ TPS ( engelsk termisk beskyttelsessystem ). Ablative varmeskjold (fra latin ablatus , 'tatt bort') har to oppgaver: På den ene siden skal de beskytte systemene mot høye temperaturer når atmosfæren kommer inn, og på den andre siden det smeltede og fordampede materialet som blir ført av strømmen skal oppnå kjøling. Med denne typen (ablativ) avkjøling brukes den fysiske effekten av faseovergangen , hvor energi absorberes av faseendringen av materialet. Det ablative varmeskjoldet ble opprinnelig utviklet for re-entry heads of ICBMs .
Ablative varmeskjold ble brukt i romfartøy som den amerikanske Apollo og brukes i det russiske Soyuz-romfartøyet , på landere , i hypersoniske fly som X-15 og også i ICBM .
Et slikt varmeskjold består av kork eller glassfiber komposittmaterialer og / eller plastskum ( polystyren ) på en bærestruktur (vanligvis en aluminiumslegering ). Det er også ablative varmeskjermer laget av en syntetisk harpiks som er vanskelig å smelte og fordampe. Dette belegget pyrolyserer og sublimerer når atmosfæren kommer inn i det omkringliggende plasmaet . Den soot- laden grensesjikt hindrer strålings transport av varme fra plasmaet av virkningen fremre til overflaten av varmeskjoldet. Dens porøse, forkullede skorpe representerer en ytterligere barriere. I tillegg forbrukes gjennomtrengende varme delvis av endotermiske reaksjoner (spaltning av kjemiske bindinger, fordampning) og delvis transporteres tilbake til utsiden med gassen ( ablativ avkjøling ). Varme, som likevel trenger gjennom varmeskjoldet, fordeles av det meget varmeledende konstruksjonsmaterialet på en slik måte at ingen skadelige høye temperaturer oppstår.
Ideen til det ablative varmeskjoldet oppsto når man utviklet kontrollflater i rakettmotoren . Ablativ kjøling brukes fortsatt i dag i dysene til billige eller mindre rakettmotorer. For dette formål er den indre overflaten av forbrenningskammeret eller dysen til motoren foret med et lag av et materiale (f.eks. Grafitt , wolfram , molybden eller niob ) som bare fordamper ved høye temperaturer . Denne passive avkjølingsmetoden ble for eksempel brukt i Merlin-motoren til Falcon 1- raketten og i AJ-118 i Delta II øvre trinn; Den er fortsatt i bruk på RS-68 første trinns motor i Delta IV Heavy og på RD-58 i Block D / DM i Proton .
Det ablative varmeskjoldet til den atmosfæriske kapslen, en kasserte dattersonde av Galileo romføler , måtte overleve inngangen til atmosfæren med den største belastningen hittil da den kom inn i Jupiter-atmosfæren 7. desember 1995 i rundt 170.000 km / t (47 km / s). Gassen i sjokkfronten varmet opp til 16.000 K (ca. 15.700 ° C ) og varmeskjoldet måtte tåle en varmestrømningstetthet på 43 kW / cm². Varmeskjoldet utgjorde derfor omtrent 43% av vekten av nedsenkingskapslen, og omtrent to tredjedeler av den brant og fordampet da den kom inn i Jupiters atmosfære.
litteratur
- TA Heppenheimer: Facing the Heat Barrier: A History of Hypersonics. Del 1 (PDF; 1 MB). og del 2. (PDF; 496 kB). NASA History Series, 2006.
- Frank S. Milos et al.: Oppdatert Ablation and Thermal Response Program for Spacecraft Heatshield Analysis. (PDF; 4,2 MB). 17th Workshop for termisk og væskeanalyse, Maryland 2006.
weblenker
- Shuttles termisk beskyttelsessystem (TPS )
- SHEFEX: Varmeskjold med hjørner og kanter.
- Buran: varmeskjold. (Engelsk)
Individuelle bevis
- ↑ Gratis vitenskapelig eksperiment - forbrenning - lufttrykk, friksjon, hastighet og varme (engelsk).
- ^ J. Hansen: Engineer in Charge: A History of the Langley Aeronautical Laboratory, 1917-1958. NASA History Series, volum sp-4305, kapittel 12: Hypersonics and the Transition to Space; United States Government Printing Office, 1987, ISBN 0-318-23455-6 .
- ↑ Ryan Grabow: Ablative Heat Shielding for Spacecraft Re-Entry. (PDF) (Ikke lenger tilgjengelig online.) 7. desember 2006, tidligere i originalen ; åpnet 6. november 2011 . ( Siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i nettarkiver )
- ↑ Bernd Leitenberger: rakettmotorer.
- ↑ Bernd Leitenberger: Galileos atmosfæresonde. Hentet 27. april 2011 .