Передовые керамики в авиакосмике: многоразовые теплозащитные экраны и не только

Керамику тысячелетиями использовали для создания искусства и посуды. Сегодня мы можем использовать их для изготовления ультраостых долговечных ножей, заставляющих их высокотехнологичные стальные аналоги выглядеть как древние реликвии. Из жизненного опыта мы также знаем, что керамика плохо справляется с внезапными сильными силами, действующими на них. Например, пол, ударяющий в них со скоростью несколько метров в секунду.

Врожденная хрупкость керамики — главная причина, почему они непригодны как конструкционный материал для большинства применений. Однако керамика выделяется во многих высокоспецифических аспектах, особенно когда речь идет о высоких температурах и химической стабильности. В этой статье мы исследуем решающие роли керамики в космических аппаратах и как они спасают ситуацию там, где металлы бессильны.

Проектирование наиболее эффективной системы термозащиты

Один из более распространенных вариантов использования керамики в космических аппаратах — часть системы термозащиты. Чтобы понять, почему керамический материал является идеальным кандидатом для этого применения, важно внимательно рассмотреть различные механизмы рассеивания тепла.

Когда космический аппарат входит в любую атмосферу на орбитальных скоростях, он испытывает значительный нагрев поверхности через атмосферное сопротивление. Это верно даже для относительно разреженной марсианской атмосферы, имеющей только 1% плотности земной. Тепло, поглощенное космическим аппаратом, может пойти двумя путями: оно может быть излучено в окружающую среду или проведено в интерьер аппарата, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Схематический вид нагрева поверхности изолированного космического аппарата [1].

Излучение было бы благоприятным способом для конструктора космического аппарата избавиться от поглощенного тепла, так как среда едва затронута излучением, в то время как космический аппарат может распасться и/или расплавиться, если слишком много тепла накапливается во входной фазе.

Однако эффективность излучения связана с четвертой степенью температуры поверхности. Это означает, что оно играет едва ли какую-либо роль при температурах поверхности, которые большинство материалов могут комфортно выдерживать, но становится доминирующим механизмом теплопередачи/охлаждения при температурах выше ~1000 К. Вы можете знать этот температурный диапазон как практически все твердые материалы начинают видимо светиться красным в этом районе [2].

Специализированные покрытия — ключ

Проведение тепла в космический аппарат — менее благоприятный способ управления нагревом поверхности из-за температурных ограничений всех используемых материалов внутри аппарата. Есть предел того, сколько тепла может поглотить аппарат перед тем, как материальные пределы будут превышены и могут произойти катастрофические сбои.

Инженеры придумали умное решение, использующее оба механизма теплопередачи. Например, нагретая поверхность орбитального корабля Space Shuttle покрыта хорошим теплоизолирующим материалом, а именносилицией (диоксидом кремния). Кроме того, черное боросиликатное покрытие наносится на этот материал для максимизации излучательных свойств поверхности. Таким образом, до 95% встречаемого тепла сбрасывается немедленно, оставляя только 5% тепла для поглощения интерьером плиток.

Вся нижняя поверхность орбитальных кораблей Space Shuttle покрыта этими черными плитками, состоящими из силицевоволокнистой системы с объемным содержанием всего 6%. Оставшийся объем заполнен воздухом. Каждая плитка отмечена идентификационным номером для обеспечения правильного обслуживания и сборки в ее уникальной позиции. Плитки склеены с базовой алюминиевой структурой силиконовым резиновым «клеем».

Другие системы термозащиты, такие как абразивные системы, также используют изолирующие материалы, которые намеренно разрушаются излишним теплом. По конструкции абразивные системы могут использоваться только один раз перед полной заменой. В отличие от этого, силицевые плитки многоразовые, несмотря на их впечатляющую пиковую рабочую температуру около 1900 К при входе в атмосферу.

Для особо сильно нагреваемых областей, таких как передовые края аэродинамических структур, термоизоляция может быть недостаточной, требуя активного охлаждения. В этом случае нет изолирующего керамического слоя, а стоит относительно тонкий, термически проводимый материал.

Этот принцип сравним с охлаждением главной камеры сгорания в главном двигателе Space Shuttle, который был подробно описан в нашей предыдущей статье, Металлы в космосе: как суперсплавы изменили ракетный ландшафт. Более того, Илон Маск планирует использовать активное охлаждение нержавеющей стали на всей ветреной поверхности нового космического корабля Starship.

Атмосферная входная фаза не единственная операционная фаза, где космический аппарат подвергается значительному нагреву поверхности. Простое воздействие солнечного света в космосе может быстро поднять температуру поверхности до около 500 К.

Против этого орбитальные корабли Space Shuttle защищались теми же силицевыми плитками с белым покрытием, состоящим из смеси силицевых соединений и оксида алюминия [4], чтобы максимизировать отражательную способность поверхности и поглощать лишь ничтожную долю инцидентного солнечного энергопотока.

Недостатки высокоотражательных космических аппаратов

В некоторых случаях отражательная способность космического аппарата может быть проблематичной. Недавно SpaceX получила серьезные жалобы об их спутниках, мешающих наблюдениям астрономов [5].

Спутники Starlink SpaceX создают созвездия искусственных звезд на небе, которых астрономы опасаются, что они будут мешать их расчетам данных и загрязнять ночное небо.

Оптическая отражательная способность не учитывалась в общем дизайне спутников Starlink. Однако SpaceX признала этот недостаток и активно работает над решением путем нанесения покрытия на сторону, обращенную к Земле спутников [6].

Это покрытие сильно влияет на тепловые свойства спутников, так как свет, излучаемый и отражаемый Землей, также может выступать существенным источником нагрева, который нужно учитывать в общей системе. Следовательно, это не простое изменение, а то, которое требует тщательного проектирования и валидации методом проб и ошибок.

Исследование материалов, поглощающих электромагнитные волны, восходит к Второй мировой войне, когда немцы столкнулись с высокоэффективными первыми радарами союзников. Это исследование привело к ферритной краске, которую можно считать первым искусственно созданным радаропоглощающим материалом [7].

В наши дни радарные сигнатуры спутников в некоторых случаях нужно подавлять по стратегическим причинам, маскируя их от систем обнаружения противника. Однако операторы спутников, выбирающие применение радаропоглощающей технологии, должны уделять особое внимание обеспечению того, чтобы их спутники не способствовали сильно возрастающей проблеме космического мусора на орбите Земли после окончания службы, так как их еще труднее найти и утилизировать.

Почему многофункциональные материалы/композиты — необходимость

Из вышеизложенных соображений видно, что космические аппараты, такие как спутники, являются высококомплексными системами, встроенными в одну из самых требовательных сред, известных нам. Наиболее сильное ухудшение внешних структур спутников обычно связано с эрозией поверхности, исходящей от УФ-облучения в космосе и бомбардировки атомарным кислородом [8], в дополнение к тяжелым термическим циклам, в зависимости от их орбитальных характеристик.

Спутники — высококомплексные системы, встроенные в одну из самых требовательных сред, известных нам.

Внешний слой спутника является определяющей поверхностью для всех тепловых взаимодействий со средой. Если он оптимизирован только для одной цели, например, для минимизации электромагнитной отражательной способности, другие характеристики, необходимые для номинальной функциональности, как определенная излучательная способность поверхности для охлаждения или защита от ударов микрометеоритов и мусора спутника, могут отсутствовать. Следовательно, внешний слой должен выполнять множество функций и требований.

Рисунок 3: Термическая стабильность разных материалов [9].

Многослойные углеродоснованные керамики доказали свою эффективность как материал для достижения многофункциональной, легкой и надежной обшивки космического аппарата. Рисунок 3 показывает, как углеродоволокнистый углерод (Carbon/Carbon или C/C) обеспечивает высокую термическую стабильность на широком температурном диапазоне. Компоненты C/C могут быть изготовлены процессом химического осаждения из паровой фазы.

Настоящий плащ невидимости

Может показаться тривиальным скрыть объект в космосе, просто окрасив 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 термозащита, которую обеспечивает C/C, может быть объединена с электромагнитноволно-поглощающими характеристиками эпоксидной матрицы с добавленными многослойными углеродными нанотрубками. Не только углеродные нанотрубки имеют потенциал увеличить поглощение электромагнитных волн, но они также могут использоваться для изготовления ультрапрочных наноматериалов, как описано в статье Уэйда Ланнинга.

Рисунок 4: Изображение куб-спутника (CubeSat) и схематический вид его системы термозащиты. C/C объединен с многослойным экранированием, поглощающим электромагнитное излучение [8].

Внешние слои экранирующего многослойного покрытия, показанного на рисунке 4, с содержанием углеродных нанотрубок до 1,5%, обеспечивают отличные микроволно-поглощающие характеристики, действуя как плащ невидимости для спутника. Толщина отдельных слоев и их состав оптимизированы с использованием подхода машинного обучения, следуя недавнему тренду в материаловедении.

Как видите, передовой материал и применение многофункциональных композитов необходимы для выдерживания требовательной среды космоса.

Неважно, насколько хорошо космический аппарат спроектирован и протестирован здесь на Земле, некоторые сюрпризы в его функциональности и непредвиденные эффекты все еще могут быть встречены на орбите, как показали SpaceX и их созвездие спутников Starlink. Керамические материалы, композиты и покрытия предлагают высокожелательные характеристики, такие как долгосрочная стабильность и термозащита, открывая новую эру передовых космических исследований.