Nova istraživanja sa University of Illinois pokazuju da sastav atmosfere značajno utiče na ponašanje ablacije na toplotnim štitovima. U prisustvu kiseonika ablacija protiče stabilno i čestice se odvajaju kontinuirano, dok odsustvo kiseonika izaziva nepredvidive i povremeno nasilne ispade čestica. Otkrića su posebno relevantna za misije poput NASA‑inog Dragonflya na Titanu, čija atmosfera (≈95% azota, ≈5% metana) može izazvati neočekivane efekte na štitove.
Kako različite atmosfere utiču na toplotne štitove: novo istraživanje objašnjava neočekivano ponašanje ablacije
An illustration of NASA's Dragonfly rotorcraft soaring in the skies of Saturn’s larget moon, Titan. | Credit: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben
Ulazak u atmosferu neke planete predstavlja kritičan i opasan manevar: pri velikim brzinama letelica doživljava intenzivno trenje sa atomima i molekulima, što stvara ekstremnu toplotu. Zbog toga se sletne sonde i roveri štite specijalnim toplotnim štitovima koji se tokom ulaska delimično troše — proces nazvan ablacija.
Novo istraživanje Grainger College of Engineering pri University of Illinois Urbana-Champaign pokazuje da sastav atmosfere snažno menja način na koji štit „diše“ i trpi ablaciju. Tim na čelu sa prof. Francesco Paneraijem iz Odeljenja za vazduhoplovno inženjerstvo testirao je materijale u tunelu Plasmatron X u Centru za hipersoniku i proučavanje ulaska u atmosferu (Center for Hypersonics and Entry System Studies), kako bi simulirali uslove hipersoničnog ulaska.
"Ono što nas je veoma iznenadilo u ovoj studiji jeste da se, kada promenimo gas, fenomen ablacije ponaša na različite načine," rekao je Francesco Panerai 12. marta. "U klasičnoj vazdušnoj sredini, gde je prisutan kiseonik, ablacija protiče stabilno: tok erodira površinu, a čestice se odvajaju u kontinuiranoj struji."
U takvim uslovima deo erodiranog materijala može da se nanese nazad na površinu i delimično zapuši pojedine oblasti štita, sprečavajući dublje slojeve da pravilno "dišu" — što menja efikasnost zaštite. Međutim, kada su uklonjene oksidirajuće komponente atmosfere, ponašanje ablacije se menja iz fundamenta.
High-speed image frames illustrate extreme particle burst events in supersonic nitrogen. In rare instances, particles are observed traveling upstream, indicating a pressure driven ejection mechanism. | Credit: Francesco Panerai/University of Illinois
"Kada uklonite kiseonik, proces postaje nestabilan. Povremeno se izdvajaju ispaljivanja čestica i ponekad je proces veoma buran," navodi Panerai. "Bavim se istraživanjima ablacije više od 15 godina i do sada nisam video ovakav fenomen. Svi smo bili zatečeni kada smo ga prvi put uočili u tunelu."
Ovo otkriće ima praktične implikacije za planiranje misija ka telima sa atmosferama koje se razlikuju od zemaljske. Posebno je važno za Dragonfly, NASA-in robotski rotorcraft planiran za lansiranje 2028. godine ka Titanu — mesečevoj atmosferi sastavljenoj od otprilike 95% azota i 5% metana, dok Zemljina atmosfera sadrži oko 78% azota i 21% kiseonika.
Razumevanje uslova pri kojima ablacija prelazi iz stabilnog u nestabilno ponašanje može pomoći inženjerima da bolje tumače rezultate testova i unaprede kriterijume pri dizajnu i oceni materijala za štitove. Kako Panerai ističe: iako otkriće samo po sebi odmah ne menja dizajn toplotnih štitova, ono ima "duboke implikacije na fiziku materijala" i na način na koji materijal reaguje na ekstremne temperature.
Studija je objavljena 5. februara u naučnom časopisu Carbon.
Pomozite nam da budemo bolji.
