Керамика в космосе:от многоразовых теплозащитных экранов до плащей-невидимок

Керамика использовалась для создания предметов искусства и различных видов посуды на протяжении тысячелетий. Сегодня мы можем использовать их для изготовления сверхострых прочных ножей, по сравнению с которыми их аналоги из высокотехнологичной стали выглядят как древние реликвии. Из жизненного опыта мы также знаем, что керамика плохо переносит внезапные сильные воздействия. . Например, пол падает на них со скоростью несколько метров в секунду.

Присущая керамике хрупкость является основной причиной, по которой они не подходят в качестве конструкционного материала для большинства приложений. Однако керамика выделяется во многих очень специфических аспектах. , особенно когда речь идет о высоких температурах и химической стабильности. . В этой статье мы исследуем решающую роль керамики в космических кораблях. и как они спасают положение там, где металлы шатаются.

Разработка наиболее эффективной системы тепловой защиты

Один из наиболее распространенных вариантов использования керамики в космических кораблях — это часть системы тепловой защиты. . Чтобы понять, почему керамический материал является идеальным кандидатом для этого применения, важно внимательно изучить различные механизмы рассеивания тепла. .

Когда космический корабль входит в любую атмосферу на орбитальной скорости, он испытывает значительный нагрев поверхности. через атмосферное сопротивление . Это верно даже для относительно тонкой марсианской атмосферы, плотность которой составляет всего 1% от плотности атмосферы Земли. Тепло, поглощаемое космическим кораблем, может идти двумя путями :он может излучаться в окружающую среду или проходить внутрь космического корабля, как показано на рисунке 1.

<рисунок>

Рисунок 1:Схематическое изображение поверхностного нагрева изолированного космического корабля [1].

Радиация было бы благоприятным способом для конструктора космического корабля избавиться от поглощенного тепла, поскольку излучаемое тепло почти не влияет на окружающую среду, а космический корабль может разрушиться и/или расплавиться, если накопится слишком много тепла на начальном этапе.

Однако эффективность излучения привязана к четвертой степени температуры поверхности. Это означает, что он вряд ли играет какую-либо роль при температурах поверхности, с которыми комфортно справляется большинство материалов, но становится доминирующим механизмом теплопередачи/охлаждения при температурах выше ~1000 K. . Возможно, вам знаком этот температурный диапазон, так как здесь практически все твердые материалы начинают светиться красным цветом [2].

Специализированные покрытия — ключ к успеху

Передача тепла внутрь космического корабля — менее благоприятный способ справиться с нагревом поверхности. из-за температурных ограничений всех используемых материалов внутри космического корабля. Космический корабль может поглотить лишь ограниченное количество тепла до материальных пределов. превышены, и могут произойти катастрофические сбои .

Инженеры придумали разумное решение, использующее оба механизма теплопередачи. . Например, нагретая поверхность космического корабля "Шаттл" покрыта хорошим теплоизоляционным материалом , а именно кремнезем (диоксид кремния). Кроме того, на этот материал нанесено черное боросиликатное покрытие, чтобы максимизировать радиационно-эмиссионные свойства поверхности. Таким образом, до 95 % встречающегося тепла сразу же отводится. , оставляя только 5 % тепла, поглощаемого внутренней частью плитки.

Вся нижняя поверхность орбитальных аппаратов шаттлов покрыта этими черными плитками , состоящий из системы кремнеземных волокон с объемным содержанием всего 6%. оставшийся объем заполнен воздухом . Каждая плитка маркируется идентификационным номером, чтобы обеспечить правильное обслуживание и сборку в ее уникальном положении. Плитки приклеиваются к основной алюминиевой конструкции с помощью «клея» из силиконового каучука.

Другие системы термозащиты, такие как абразивные системы. , также используйте изоляционные материалы, которые преднамеренно разрушаются из-за чрезмерного нагрева . Абразивные системы по своей конструкции могут использоваться только один раз, прежде чем потребуется их полная замена. Силиконовые плитки, напротив, можно использовать повторно, несмотря на их впечатляющую пиковую рабочую температуру около 1900 К на этапе повторного входа. .

 

Для особенно сильно отапливаемых помещений , как и передние кромки аэродинамических конструкций, теплоизоляция может быть недостаточной , требующие активного охлаждения. В этом случае нет изолирующего керамического слоя, а вместо него используется относительно тонкий теплопроводный материал.

Этот принцип сравним с охлаждением основной камеры сгорания в главном двигателе космического корабля "Шаттл", подробно описанном в нашей предыдущей статье Металлы в космосе:как суперсплавы изменили ракетный ландшафт . Более того, Илон Маск планирует использовать активное охлаждение из нержавеющей стали на всей наветренной поверхности нового космического корабля Starship.

Фаза входа в атмосферу — не единственная фаза эксплуатации, на которой космический аппарат подвергается значительному нагреву поверхности. Просто на солнце в космосе может быстро поднять температуру поверхности примерно до 500 K .

От этого орбитальные аппараты космических челноков были защищены теми же плитками из кремнезема с использованием белого покрытия, состоящего из смеси соединений кремнезема и оксида алюминия [4], чтобы максимизировать отражательную способность поверхности. и поглощают лишь незначительную часть падающего потока солнечной энергии.

Недостатки космических кораблей с высокой отражающей способностью

В некоторых случаях отражательная способность космического корабля может быть проблематичной . Совсем недавно SpaceX получила серьезные жалобы астрономов на то, что их спутники мешают наблюдениям [5].

<рисунок>

Спутники SpaceX Starlink создают в небе созвездия искусственных звезд, которые, как опасаются астрономы, будут мешать их расчетам данных и загрязнять ночное небо.

Оптическая отражательная способность не рассматривался для общей конструкции спутников Starlink. Однако SpaceX признала этот недостаток. и активно работает над решением проблемы путем нанесения покрытия на обращенную к Земле сторону. спутников [6].

Это покрытие сильно влияет на тепловые свойства спутников, поскольку свет, излучаемый и отражаемый Землей, также может выступать в качестве существенного источника нагрева. это необходимо учитывать в общей системе. Следовательно, это не простое изменение, его необходимо тщательно продумать и проверить методом проб и ошибок.

Исследования материалов, поглощающих электромагнитные волны, начались еще во время Второй мировой войны, когда немцы столкнулись с очень успешными первыми радарными системами союзников. Результатом этого исследования стала краска на основе феррита. , который можно считать первым искусственно созданным радиопоглощающим материалом. [7].

В настоящее время радиолокационные сигнатуры спутников в ряде случаев необходимо подавлять по стратегическим причинам, скрывая их от систем обнаружения противника. Однако спутниковые операторы, решившие применить радиопоглощающую технологию, должны уделять особое внимание следить за тем, чтобы их спутники не способствовали резкому увеличению проблемы космического мусора на орбите Земли после окончания службы, так как их еще сложнее найти и удалить.

Почему необходимы многофункциональные материалы/композиты

Из приведенных выше соображений видно, что космические аппараты, такие как спутники, представляют собой очень сложные системы, встроенные в одну из самых требовательных сред, которые мы знаем. . Самый сильный износ, которому подвергаются внешние спутниковые конструкции, обычно связан с эрозией поверхности. в результате УФ-облучения в космосе и от бомбардировки атомарным кислородом [8], в дополнение к тяжелым тепловым циклам , в зависимости от их орбитальных характеристик .

<рисунок>

Спутники — это очень сложные системы, встроенные в одну из самых требовательных сред, которые мы знаем.

Внешний слой спутника является определяющей поверхностью для всех тепловых взаимодействий с окружающей средой. Если он оптимизирован только для одной цели, например, для минимизации электромагнитного отражения , другие функции, необходимые для номинальной функциональности, такие как определенный коэффициент излучения поверхности для охлаждения или защита от ударов микрометеоритов и обломки спутника могут отсутствовать. Поэтому самый внешний уровень должен выполнять множество функций и требований.

<рисунок>

Рисунок 3:Термическая стабильность различных материалов [9].

Многослойная углеродная керамика зарекомендовали себя как эффективный материал для изготовления многофункциональной, легкой и прочной обшивки космического корабля. На рис. 3 показано, как углерод, армированный углеродным волокном (углерод/углерод или углерод/углерод) обеспечивает высокую термическую стабильность в широком диапазоне температур. Компоненты C/C могут быть изготовлены с использованием процесса химической инфильтрации паров.

Настоящий плащ-невидимка

Может показаться банальным скрыть объект в пространстве, просто раскрасив его так же, как фон :черный . Однако даже объекты, поглощающие весь видимый свет, могут быть идеальными отражателями электромагнитного излучения на других длинах волн, например, микроволн. .
Превосходная теплозащита, которую обеспечивает C/C, может сочетаться с характеристиками поглощения электромагнитных волн эпоксидной матрицей с добавлением многостенных углеродных нанотрубок . Углеродные нанотрубки могут не только увеличивать поглощение электромагнитных волн, но и использоваться для изготовления сверхпрочных наноматериалов, как описано в этой статье Уэйда Лэннинга.

<рисунок>

Рисунок 4:Изображение кубического спутника (CubeSat) и схема его системы тепловой защиты. К/К сочетается с экранирующим многослойным материалом, поглощающим электромагнитное излучение [8].

Внешние слои экранирующего многослойного материала, показанные на рис. 4, с содержанием углеродных нанотрубок до 1,5 % обеспечивают отличные характеристики поглощения микроволнового излучения. , действуя как плащ-невидимка для спутника. Толщина отдельных слоев, а также их состав оптимизируются с помощью подхода машинного обучения. , следуя последним тенденциям в материаловедении.

Как видите, передовые материалы и применение многофункциональных композитов необходимы, чтобы выдерживать сложные условия космоса. .

Независимо от того, насколько хорошо космический корабль спроектирован и испытан здесь, на Земле, некоторые сюрпризы в его функциональности и непреднамеренных эффектах все еще можно встретить на орбите, как показали SpaceX и их спутниковая группировка Starlink. Керамические материалы, композиты и покрытия обладают такими желательными характеристиками, как долговременная стабильность и термозащита, открывая новую эру передовых космических исследований.