Вместо того, чтобы полностью сжигать, когда космический корабль возвращается в атмосферу Земли, внешняя поверхность его теплового экрана приносится в жертву, чтобы защитить остальную часть транспортного средства. Углеродные волокна разлагаются, рассеивая тепло. Предполагалось, что это происходит только на поверхности, но в недавнем исследовании исследователи из инженерного колледжа Grainger, Университета Иллинойса Урбана-Шампейн и четыре других учреждения получили новую информацию о том, как развивается материал защитного углеродного волокна, не только на поверхности, но и внизу, где может произойти структурная неудача и угрожать жизнью автомобиля.
«Мы часто предполагаем, что деградация теплового экрана происходит только на поверхности, что не всегда является плохим предположением. Но, учитывая деградацию, которую мы наблюдали на протяжении всего объема материала, наша работа показывает, что это предположение не всегда удерживается, демонстрируя, что структурная целостность теплового экрана может быть значительно скомпрометирована при определенных условиях», – говорится в докторской докторской докторской инженерии. Студент Бен Рингель. «Кроме того, это углубленное ослабление может привести к размахиванию-когда большие куски материала разорваны, в результате чего система тепловой защиты ухудшится быстрее».
По словам советника Рингфеля, Франческо Панерай«Окисление углеродного волокна является ключевым процессом в тепловой защите. Он также является одним из наиболее изученных в материалости, и его теория очень хорошо установлена. Но здесь мы выполнили элегантную, простой, хотя и очень трудно выполнить, экспериментировать. Впервые мы могли увидеть эту теорию в действии, с некоторыми неожиданными поворотами».
Панерай и его сотрудники в Berkeley Lab Advanced Light Source выполнил эксперименты в Пол Шерер Институт в Швейцарии. Они использовали линию луча Tomcat в Швейцарский источник света-Специализированное средство, где динамические процессы могут отслеживать в пространстве и времени, используя сверхбыстшую конечную станцию и специальную систему камеры, которая разрешает структуры микронного масштаба с разрешением на подсекунду для расширенных продолжительности.
Команда подвергла небольшие образцы аблятивного материала углеродного волокна для нагрева под яркими рентгеновскими снимками Tomcat, собирая временные ряды трехмерных изображений образца, когда он вращался и потреблялся кислородом.
«Уровень детализации, который предоставил Tomcat, был невероятным», – сказал Панерай. «Мы могли бы наблюдать абляцию волокна в резолюции, которую мы раньше не видели».
Рингелу было дано около 19 ТБ необработанных данных, собранных в Швейцарии, и начал их обрабатывать.
«После реконструкции данных я использовал глубокое обучение, чтобы сегментировать их, определяя волокна от пустоты», – сказал Рингвет. «Это была огромная задача по управлению данными. С самого начала я мог качественно увидеть сдвиг в реакции материала между условиями».
Далее последовал интенсивный анализ. Он исследовал, насколько легко кислород диффундирует через материал по сравнению с тем, как быстро он реагирует с углеродными волокнами.
«Существует конечное количество кислорода, которое доступно для реагирования с углеродными волокнами. В высокотемпературных случаях реакции происходят быстро, и кислород не может быть времени диффундировать в материал, прежде чем съесть на поверхности»,-сказал Рингвет. «Но, по мере того, как температура снижается, реакции замедляются, что дает кислороду время пермитации через материал, что приводит к ослаблению волокон на протяжении всего объема материала.
«Мы захватили это происходящее. Мы визуализировали и количественно определили, насколько глубоко возникали реакции материала на основе температуры и давления. Мы отобразили их, используя ненужный анализ, который описывает конкуренцию между диффузией и скоростью реакции в материалах. Наши числа из изображений коррелировали с тем, что мы видели».
Второй этап анализа включал тесное сотрудничество с Исследовательский центр НАСА ЭймсПолем Рингель и коллеги использовали программное обеспечение для анализа пористой микроструктуры НАСА на Национальный научный центр по исследованию энергетики Суперкомпьютер выполняет более 1600 моделирования свойств материала.
«Моделирование использовало наши развивающиеся 3D-изображения, предоставляя нам информацию о свойствах материала на каждом временном точке. Мы также разработали новый метод для расчета свойств материала как функции как времени, так и пространства. Впервые мы видим, как свойства меняются на протяжении всего материала теплового экрана под изменяющимся диффузионным режимом».
Информация, полученная в результате этого исследования о диффузии и реакции, неоценима для продвижения современных моделей абляции, повышения производительности теплового экрана и адаптации материалов к конкретным условиям эксплуатации.
«Наши данные предоставляют ценные измерения, чтобы помочь другим исследователям теплового экрана проверить и улучшить свои модели абляции, которые затем применяются к транспортным средствам в полете.
«Благодаря улучшению понимания того, как конкуренция на диффузионную реакцию влияет на деградацию тепла на протяжении всего полета, становится возможным мир инновационной инженерии. Это знание дает возможность разработке передовых подходов к производству, таких как 3D-печатные тепловые щиты с точно разработанными внутренними структурами, предназначенными для соответствия конкретным условиям гипперможного повторного входа.
Ссылка: Ringel BM, Semeraro F, Ferguson JC, et al. Окисление углеродного волокна в 4D. Adv Mater. 2025: 2502007. doi: 10.1002/adma.202502007
Эта статья была переиздана из следующих материалыПолем Примечание: материал мог быть отредактирован для длины и содержания. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с цитируемым источником. Наша пресс -релиз публикации можно получить здесь.
2025-07-31 09:21:00
1753954005
#Ущерб #для #теплового #экрана #космического #корабля #опускается #ниже #поверхности
Продолжение темы
