4020
Під час повернення космічного апарата в атмосферу Землі на гіперзвукових швидкостях його теплозахисний екран витримує температури понад 3 000 °F (понад 1 600 °C). Щоб не згоріти, екран побудований з матеріалів, які навмисно руйнуються у контрольованому процесі, відомому як абляція: зовнішні шари поступово згорають і відносять надлишкове тепло, захищаючи апарат і екіпаж. Як саме це відбувається всередині матеріалу, вдавалося бачити лише до й після випробувань, що обмежувало точність комп’ютерних моделей.
Команда вчених на установці Advanced Light Source (ALS) у Національній лабораторії ім. Лоуренса Берклі знайшла спосіб спостерігати абляцію в реальному часі. Як повідомляє Newswise Science News, вони отримали детальні тривимірні «таймлапс» зображення того, як змінюється внутрішня структура теплозахисних матеріалів при екстремальному нагріванні, що напряму покращує проєктування систем термозахисту для місій на кшталт Artemis.
Як зазирнули всередину теплозахисту
Дослідники використали рентгенівську мікрокомп’ютерну томографію (мікро-КТ) з in situ нагріванням. Спеціальне оснащення на томографічному інструменті дозволило незалежно керувати температурою, тиском та газовою сумішшю, відтворюючи реальні, змінні умови входу в атмосферу.
Команда з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн та NASA досліджувала клас надлегких абляційних матеріалів, які застосовують у задніх обтічниках космічних апаратів. Зразки нагрівали до приблизно 1 652 °F – температури, за якої матеріали починають інтенсивно розкладатися, – та багаторазово сканували з мікрометровою роздільною здатністю.
У роботі вивчали два комерційні аблятори – SLA‑220 і SLA‑561V. Вони використовуються в різних частинах теплозахисних конструкцій і відрізняються складом. За допомогою мікро-КТ дослідники відстежували, як високотемпературний нагрів, подібний до умов входу в атмосферу, впливає на багатофазний хімічний розклад матеріалів і зміну їхньої пористості в реальному часі.
Такі вимірювання дають інженерам прямі дані для побудови та перевірки прогнозних моделей. Це зменшує невизначеність у розрахунках роботи теплозахисту, допомагає точніше планувати місії та підвищує безпеку майбутніх пілотованих польотів.
За словами наукової співробітниці ALS Ліз Кларк (Liz Clark), установка здатна виконувати 3D-візуалізацію зразків під дією різних екстремальних умов – тепла, холоду, тиску, розтягування – і відстежувати, як змінюється їхня внутрішня структура в міру зміни властивостей. Після першої місії Artemis, коли теплозахисні екрани поводилися не так, як прогнозували обчислювальні моделі, саме ALS використали для детального аналізу матеріалів цих екранів.
Штучний інтелект для надчітких 3D-знімків
Щоб зафіксувати еволюцію матеріалів, науковцям довелося збалансувати суперечливі вимоги: або часто знімати великі об’єми зразка з нижчою роздільною здатністю, або рідше, але з високою деталізацією. Для подолання цього компромісу вони застосували метод надроздільної реконструкції на основі генеративно-змагальних мереж (GAN).
Високоінтенсивний, широкополосний пучок ALS дозволив швидко отримувати великооб’ємні знімки з нижчою роздільною здатністю з короткими інтервалами, фіксуючи швидкі структурні зміни. Потім, переходячи на однохвильовий рентгенівський промінь, команда робила детальні високороздільні «статичні» знімки зразків до та після нагрівання.
На основі цих пар «до–після» штучний інтелект навчали підвищувати роздільну здатність усієї послідовності зображень, отриманих під час експерименту. У результаті вчені отримали повний високодеталізований запис того, як кожен матеріал змінювався протягом усього циклу нагрівання.
Ключові відмінності між матеріалами
AI-посилена візуалізація показала разючу різницю в поведінці двох досліджених абляторів. Матеріал SLA‑561V містить корок – ту саму природну сировину, яку використовують у винних пробках, – як структурний наповнювач. Під дією тепла корок хімічно розкладається та зникає, залишаючи по собі відкриті порожнини, розподілені всередині матеріалу.
У складі SLA‑220 немає такого органічного наповнювача. Натомість його гумиподібна силіконова матриця при нагріванні утворює щільну, розгалужену мережу взаємопов’язаних каналів. Відкриті ізольовані порожнини та зв’язана каналоподібна мережа по-різному проводять тепло й газ в умовах входу в атмосферу, а отже, по-різному впливають на роботу теплозахисного екрана.
Отримані мікрорівневі дані доповнюють попередні спостереження за поведінкою теплового захисту під час реальних польотів і стендових тестів. Тепер інженери мають прямі вимірювання того, як саме змінюється внутрішня структура ключових матеріалів під дією екстремального нагріву, що дозволяє точніше моделювати їхню роботу та підвищувати надійність повернення космічних апаратів на Землю.
Вчені вперше побачили в реальному часі руйнування теплозахисту апаратів з’явилася спочатку на Цікавості.
