Как разрушается теплозащита кораблей при возвращении на Землю: ученые засняли процесс изнутри

Капсула Orion после миссии Artemis I

Исследователи NASA и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли засняли в реальном времени, как изнутри разрушается теплозащита космических кораблей. Для этого образцы нагревали и одновременно просвечивали рентгеном. Оказалось, что два похожих материала распадаются совершенно по-разному. Результаты опубликованы в журнале npj Materials Degradation.

При возвращении на Землю корабль входит в атмосферу на огромной скорости, и его теплозащита нагревается до 1650 °C. Многие корабли защищены абляционными покрытиями. Их верхний слой постепенно разлагается и уносит тепло, жертвуя собой ради экипажа. Как именно меняется материал внутри, инженеры до сих пор во многом рассчитывали по моделям.

Эксперименты проходили на синхротроне Advanced Light Source. Ученые изучили два материала, SLA-561V и SLA-220, которые используют на задней части капсул. Образцы нагревали в специальной камере до 900 °C, т. е. до температуры, при которой начинается их разложение, и снимали методом рентгеновской микротомографии. Он показывает внутреннее строение образца в 3D. «Мы можем делать трехмерные снимки образцов в разных экстремальных условиях и наблюдать, как меняется их внутренняя структура», — объясняет сотрудник лаборатории Лиз Кларк.

Быстрые снимки получались недостаточно детальными, а подробные занимали слишком много времени. Поэтому команда применила генеративно-состязательную нейросеть. Ее обучили на подробных снимках образцов до и после нагрева, и она превратила быстрые снимки среднего разрешения в детальную трехмерную запись всего процесса.

В SLA-561V есть молотая пробка. При нагреве ее частицы быстро испаряются и оставляют внутри изолированные пустоты. В SLA-220 органического наполнителя нет, и в нем образуется плотная ветвящаяся сеть связанных между собой каналов. От такой структуры зависит, как материал проводит тепло и выпускает газы. «Прямое наблюдение за тем, как теплозащита разрушается при нагреве, совершило переворот в исследованиях входа в атмосферу», — говорит один из авторов работы Вишну Оруганти из Космического центра имени Джонсона NASA.

Такие данные особенно важны после миссии Artemis I. Теплозащита капсулы Orion тогда вернулась с неожиданными повреждениями. По данным NASA, газы внутри материала Avcoat не смогли выйти наружу, давление выросло, и от экрана в нескольких местах откололись куски обугленного слоя. Для следующей миссии агентство не стало менять экран, а изменило траекторию входа в атмосферу.

Ранее мы писали о том, что 4D-моделирование раскрыло уязвимость тепловой защиты космических кораблей. Ученые выяснили, что углеродное волокно разлагается не только на поверхности экрана, но и в его глубине.