Bezpieczniejsze wejście w atmosferę ziemską
Opór powietrza pomaga zwolnić tempo, z jakim kapsuły misji kosmicznych są przyciągane przez grawitację ziemską. Jednak tarcie generowane przez kapsuły pędzące w kierunku Ziemi doprowadza do ekstremalnego skoku temperatur. Z chwilą wejścia w atmosferę z prędkością naddźwiękową, otaczający gaz mający kontakt z powierzchnią kapsuły powoduje uwalnianie ciepła. Aby nie spłonąć, jak meteoryty spadające na Ziemię, kapsuły powrotne lecą wstecz, by wytracić prędkość i wejść w atmosferę pod odpowiednim kątem. Co więcej, muszą mieć właściwy kształt i być pokryte odpowiednim materiałem. Osłona ciepłochronna, niezbędna do przetrwania wejście w atmosferę, przyczyniła się do opracowania szeregu nowych technologii. Celem finansowanego przez UE projektu "Radiation-shapes thermal protection investigations for high-speed Earth re-entry" (RASTAS SPEAR) było dopracowanie kilku kluczowych technologii. W ramach inicjatywy powstały także silne technologiczne podstawy do przygotowania przyszłych próbnych misji powrotnych. Ponadto wyniki projektu przyczynią się do planowania misji Europejskiej Agencji Kosmicznej MarcoPolo-R na prymitywną asteroidę nieopodal Ziemi. Aby lepiej zrozumieć zjawiska, które odgrywają rolę w naddźwiękowym wejściu w atmosferę, w projekcie RASTAS SPEAR przeprowadzono przegląd możliwości i ograniczeń instalacji testowych. Fala uderzeniowa tworząca się przed pojazdami wkraczającymi w atmosferę i przepływ gazu wokół nich można odtworzyć w naddźwiękowych plazmowych tunelach aerodynamicznych. Przegląd skupiał się na zasadach działania istniejących instalacji wraz ze stosowanymi metodologiami testowymi, a także wszelkim sprzęcie używanym do zbierania pomiarów. W oparciu o wyniki tych porównań, partnerzy projektu RASTAS SPEAR zaprojektowali nowy sprzęt i metodologie pozwalające na symulację zmian ciśnienia doświadczanego przez kapsuły podczas wkraczania w atmosferę. Powstały modele teoretyczne oparte na obliczeniowej dynamice płynów służące do analizy wpływu na system ochrony termicznej kapsuł. Zespół projektu RASTAS SPEAR połączył i przetestował także nowe materiały podatne na zgniecenia, które mogłyby absorbować siłę uderzenia oraz spoiwa do elementów łączących TPS o usprawnionym działaniu. Zaprojektowano model demonstracyjny osłony termicznej na potrzeby próbnej misji powrotnej i poddano testom w plazmowych tunelach aerodynamicznych. Testy te przeprowadzono we Włoszech, w plazmowym tunelu aerodynamicznym Scirocco w Kapua, niedaleko Neapolu, w jednej z nielicznych tego typu instalacji na świecie, gdzie przeprowadzenie takich testów jest możliwe. Dowiedziono, że model demonstracyjny działa zgodnie z planem, a modelowanie matematyczne okazało się dokładne, co stwarza nowe fascynujące możliwości dla eksploracyjnych misji kosmicznych.
Słowa kluczowe
Kapsuła powrotna, eksploracja planetarna, misja kosmiczna, atmosfera, plazmowy tunel aerodynamiczny, tarcza termiczna, obliczeniowa dynamika płynów
