NASA-ingenjörerna kämpar för att bygga en bättre värmesköld

En bild av Helen Hwang Jessica Chou

I månader i sträck fortsatte proverna att smälta. Detta var inte direkt överraskande — den korkfyllda bikakan av glasfiber utsattes för en värmestrålning fyra gånger mer intensiv än vad rymdfärjans framkant motstod när den återvände till jordens atmosfär. Det var som att placera världens hetaste ugn i mitten av dess mäktigaste vindtunnel.

Samma material hade redan skyddat alla USA:s tidigare Mars-landare från värmen från att träffa Mars-atmosfären i nästan 10 000 miles (16 000 kilometer) i timmen. Men det skulle inte vara tillräckligt bra längre. Skölden för Mars Science Laboratory (MSL) skulle behöva tåla cirka 250 watt energi per kvadratcentimeter — ungefär 10 gånger värmen som upplevdes av Viking, USA:s första Mars-landare, som landade på planeten 1976. Det beror på att MSL, planerad att lanseras i augusti 2009, skulle vara tre gånger tyngre än Viking. Curiosity-rovern som MSL skulle bära var ungefär fem gånger tyngre än Spirit och Opportunity-roverna, som hade landat säkert på Mars 2004. MSL:s storlek och vikt var inte olösliga problem i sig. Men datorsimuleringar visade att sondens enorma vikt skulle resultera i kraftig turbulens, vilket leder till svårare förhållanden än någon tidigare Mars-värmesköld skulle ha utstått. Och när de vände värmesköldmaterialet i sidled till det mötande flödet av varm luft för att simulera turbulens, skulle bikakeceller i det poppa, vilket ledde till en kedjereaktion av misslyckanden. Testet såg inte ut som något vi någonsin sett tidigare, minns Helen Hwang, en forskare vid NASA:s Ames Research Center i Silicon Valley som var ansvarig för MSL:s termiska skyddssystem vid den tiden.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

I kölvattnet av dessa misslyckanden stod Hwangs team inför en allvarlig tidskris. Det var 2007 och lanseringen var planerad till mindre än två år. Det fanns två alternativ, som hon såg det: designa om uppdraget för att försöka minska uppvärmningsförhållandena, eller komma med ett nytt värmesköldmaterial. Det första alternativet skulle begränsa var rovern kunde landa och de vetenskapliga instrument den kunde bära. Det andra alternativet innebar att de skulle behöva designa, utveckla, testa och bygga en ny värmesköld på mindre än 18 månader. Det alternativet var riskabelt, men det skulle tillåta uppdraget att göra all den vetenskap det var tänkt att göra.

De valde det andra alternativet.

När mänskliga ambitioner växer i rymden måste vår uppfinningsrikedom matcha dem. För att utforska den täta atmosfären hos planeter som Venus eller Saturnus behöver vi ultrarobusta värmesköldar som kan hantera intensiva tryck. För att skicka marsprover tillbaka till jorden behöver vi oförstörbara värmesköldar som kommer att förhindra alla främmande livsformer från att kontaminera vår planet, eller vice versa. Att landa människor på andra planeter kommer att kräva superstora aeroskal, ingångskapslarna skyddade av värmesköldar, till diametrar på nästan 20 meter (66 fot) i diameter eller mer. Inget i närheten av den skalan har någonsin flugits till Mars tidigare.

Utmaningarna med att utveckla dessa tekniker kommer att vara enorma, men det kommer också belöningen att göra om de säkert levererar robotar och människor till nya gränser. Utan avancerade framsteg inom aeroskal och värmesköldar kommer sådana uppdrag att vara meningslösa – de kommer bara att brinna upp i atmosfären.

Om du går ut i rymden finns det två skäl att sakta ner: att återvända till jorden eller att stanna vid en annan himlakropp. Ett sätt att sakta ner är att använda samma metod som du använde för att snabba upp: raketer. Men detta innebär att man bär mer raketbränsle, vilket ökar vikten. Rent praktiskt är det vettigt att använda atmosfären, om det finns en sådan. Men för att överleva den resulterande värmen krävs smarta material och skickligt formade rymdfarkoster.

De smarta formerna har sitt ursprung på 1950-talet vid Ames Research Center, samma plats där Hwang senare skulle arbeta för att utveckla MSL-värmeskölden. Harry Julian Harvey Allen, som ledde Ames High-Speed ​​Research Division i början av 1950-talet, utformade den så kallade trubbiga kroppen, som skulle ha en platt, bred sida för att ta stryk av värmen. Allen och en kollega arbetade med teorin under nästa år. De insåg att en trubbig kropp skulle skapa en stark chockvåg framför den, som ledde bort mycket av värmen från fordonet. De satte sedan ihop den andra pusselbiten: ablation. Detta innebär att man använder material som är designade för att bryta ner och eroderas vid inträde, vilket skapar ett förkolnat lager som effektivt trycker bort värmen från fordonet.

Konceptet med trubbig kropp möttes från början av skepsis, och det förblev klassificerat till 1957. Men i maj 1961, när Alan Shepard blev den första amerikanen att besöka rymden, använde hans Friendship 7-kapsel ett koniskt trubbigt ansikte för att säkert återvända till jorden.

På grund av Apollo-programmet var nya ablativa material ett mycket aktivt forskningsområde på 1960-talet. För Apollo vände sig NASA till ett företag som heter Avco, som specialiserat sig på material för långdistansmissilstridsspetsar. Ett 2,7-tums tjockt lager av Avcoat, ett värmesköldmaterial tillverkat av epoxiharts i en glasfibermatris, absorberade den värsta värmen vid Apollos återinträde.

HEEET är avsedd för inträde i extrema miljöer, som de på Saturnus eller Neptunus. Jessica Chou

För vikingauppdragen – som skulle lansera de första framgångsrika Mars-landarna på 1970-talet – använde NASA ett nytt material som heter SLA-561V. Liksom Avcoat är SLA (för superlätt ablator) baserad på en bikakestruktur fylld med gobs av ablativt harts. Men ingenjörerna på Martin Marietta, företaget som tog fram materialet, integrerade också lättare beståndsdelar, som kisel och kork, för att minska dess densitet.

Rymdfärjorna, som först lanserades på 1980-talet, behövde ett helt nytt tillvägagångssätt. Skyttlarna var tänkta att kunna återanvändas, och det gällde värmesköldarna också. Istället för ett ämne som SLA, skyddades skyttlarna med förstärkt kol-kol på noslocket och framkanterna av vingarna och av keramiska plattor på magen.

Hwang, som växte upp i en liten stad i Iowa, minns att han hanterade en rymdfärja i en skolpresentation. Erfarenheten skapade önskan att en dag arbeta med värmesköldteknologier. Efter att ha tagit sin doktorsexamen i plasmafysik vid University of Illinois, Urbana-Champaign, tog hon ett jobb på Ames Research Center, men ett som inte hade något att göra med värmesköldar. Under flera år arbetade hon med att använda plasma för att etsa kretsar i mikrochips. När finansieringen tog slut bytte hon till värmesköldar och förverkligade sin barndomsambition.

När Hwang fick uppdraget att skapa en värmesköld för MSL-projektet 2006 vände hon sig till en början till SLA. Men det blev ganska snabbt klart att SLA inte skulle fungera. Vi kunde aldrig riktigt isolera vad som orsakade misslyckandet, säger Hwang, men misslyckandet kunde upprepas; vi testade i många olika anläggningar och vi såg samma fel under olika förhållanden.

Det fanns dock inte många andra alternativ. Det enda genomförbara valet var något som kallas fenolimpregnerad kolablatator (PICA), som hade utvecklats i Ames på 1990-talet för Stardust-uppdraget - det första som returnerade prover från en komet och det snabbaste återinträdet i atmosfären i historien. Stardust hade använt en kontinuerlig bit PICA, men MSL var för stort för att det skulle vara praktiskt. De var istället tvungna att skapa plattor av materialet och designade Mars-sonden för att täckas med dem, vilket gjorde det på ett sätt som inte tillät gasströmlinjerna att flöda längs de potentiellt sårbara sömmarna mellan plattorna. Det var den första belagda ablativa värmeskölden och den största aeroskal som någonsin flugits. (Samma lösning används nu av SpaceX för sin Dragon-kapsel. NASA lånade Dan Rasky, en av designers av PICA på Ames, till SpaceX för att hjälpa till att designa Dragons värmesköldmaterial, känt som PICA-X.)

Jag vill utforska vårt solsystem. Vi har bara varit på en handfull destinationer. Jag vill gå till dem alla.

När deadline för MSL-lanseringen närmade sig, sprängde Hwang och hennes team PICA-prover i Arc Jet Complex i Ames, vilket förbättrade deras förståelse för materialet och luckfyllnadsmaterial med varje nytt test. De fulländade sin sköld i tid till lanseringen 2009 – bara för att se uppdraget försenas till 2011 för att se till att andra system var redo. MSL landade så småningom på Mars i augusti 2012. Curiosity är fortfarande aktiv på Mars, och har varit så framgångsrik att NASA nu utvecklar ytterligare ett uppdrag, Mars 2020-rover, baserat på en liknande design. Hwang har omprövat sin roll som hantering av det termiska skyddssystemet, som återigen kommer att använda PICA för att skydda rymdfarkosten när den går ner till Mars i början av 2021.

Jessica Chou

En av Mars 2020-roverns viktigaste uppgifter kommer att vara att samla in prover som en dag kan raketas tillbaka till jorden av en framtida landare. Även när forskare lär sig hur man landar nästa generation av rymdfarkoster på andra världar, arbetar de också på hur de kan föra lockande främmande miljöer tillbaka till jorden.

Om människor vill landa på Mars kommer det att kräva värmesköldar som är minst fyra gånger diametern på den på MSL. Det är därför NASA nu utvecklar koncept för expanderbara aeroshells som kan stoppas in i bärraketshöljet och placeras ut i en större sköld i rymden. Mycket av det arbetet görs vid NASAs Langley Research Center i Virginia. På morgonen den 23 juli 2012 sprängdes en sondraket av från NASA:s Wallops Flight Facility, över Chesapeake Bay från Langley, på Virginias östra strand. Raketen bar ett utplacerbart aeroskal känt som en hypersonisk uppblåsbar aerodynamisk decelerator (HIAD), en bred, ytlig kon som består av en uppblåsbar struktur av munkformade rör. HIAD var mindre än en halv meter i diameter, men en gång i rymden utplacerade den sig till tre meter. Att göra skölden bredare sprider värmen från återinträde över ett större område.

Raketen gick 290 miles upp - långt över rymdens gräns - och sedan blåstes HIAD upp till sin fulla storlek. Kameror ombord fångade en vy av Atlanten när strukturen föll genom atmosfären. HIAD-konceptet har presterat bra i dessa flygtester, men vissa människor avskyr fortfarande tanken på att skydda Mars-bundna astronauter med ett sprängande aeroskal. Många säger: 'Åh, du har en uppblåsbar struktur - den kommer att böjas upp som en poolleksak', säger Robert Dillman, flygingenjör på Langley och medlem i HIAD-teamet. Den här saken är ganska solid. Den ringer när du trycker på den.

Större aeroshell driver stötvågor längre bort från rymdfarkosten, vilket ger mer skydd mot instegsvärme. Den återstående värmen avvärjs av ett flexibelt termiskt skyddssystem som täcker den uppblåsbara strukturen med slitstarka yttertyger och isolering.

Nästa HIAD som är planerad att flyga kommer att nå låg omloppsbana om jorden och expandera till sex meter. Men dessa uppblåsbara koncept är inte de enda expanderbara aeroskalen på gång. Ett team på Ames utvecklar en vikbar sköld som kallas Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Skölden är gjord av flexibla 3D-vävda kolfibrer och öppnas som ett paraply och hålls stadigt av metallstag.

Hwang är också involverad i utvecklingen av något som kallas Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), som skulle kunna rymma uppdrag till Venus, Saturnus, Uranus och Neptunus. HEEET är mycket mer robust än PICA och SLA-561V, och därmed bättre lämpad för täta atmosfärer. Traditionellt har varje uppdrag haft en unik värmesköld, men detta gör saker och ting dyrare. Hwang hoppas kunna uppnå stordriftsfördelar – en sorts Ford Model T för återinträde.

Jag vill utforska vårt solsystem, säger hon. Vi har bara varit på en handfull destinationer. Jag vill gå till dem alla.

Becky Ferreira är en vetenskapsreporter baserad i Ithaca, New York. Hennes arbete har dykt upp i Wired och New York Times.

Dölj