سپرهای حرارتی | هوافضای جوان

سپرهای حرارتی

همانطور که در مطلب مربوط به گرمایش ایرودینامیکی (این لینک) دیدیم، گذر جریان پرسرعت هوا از روی جسم می‌تواند دمای آن را به صورت قابل توجهی بالا ببرد. سفینه‌های فضایی یکی از محصولات هوافضایی هستند که با این مسأله روبرو می‌شوند. در زمان بازگشت سفینه‌ها به داخل جو، به دلیل سرعت بالا و پدیده گرمایش ایرودینامیکی، دما آنها به شدت افزایش پیدا می‌کند. برای اینکه این دمای بالا به سرنشین‌ها و سیستم‌های فضاپیما آسیبی نرساند، مجبوریم از سپر حرارتی استفاده کنیم. سپر حرارتی بخشی از بدنه‌ی فضاپیماست که گرمای تولید شده در زمان ورود به جو را کنترل می‌کند و جلوی ورود آن به داخل سفینه را می‌گیرد.

اساس کار سپر حرارتی

سپرهای حرارتی از روش‌های مختلفی برای کنترل گرمای تولید شده در زمان ورود به جو استفاده می­کنند. بعضی از این روش‌ها را در زیر مرور می­کنیم:

  1. ذغال شدن: (Ablation)

روش اولیه‌ای که در سپرهای حرارتی برای کنترل دمای تولید شده استفاده شد بر این اساس کار می‌کند که به جای اینکه سعی کنیم جلوی انتقال گرما به داخل سفینه را بگیریم، این گرما را در محل تولید صرف نماییم. به این صورت بود که سپرهای حرارتی فداشونده طراحی شدند. در این روش، گرمای تولید شده صرف ایجاد واکنش شیمیایی منجر به ذغال شدن گوشته سپر حرارتی می­شود.

بزرگ­ترین مشکل این روش این است که امکان استفاده مجدد از سفینه را محدود می­کند. چرا که بعد از یک بار استفاده، سپر حرارتی به شدت آسیب دیده است. شکل زیر سپر حرارتی آپولو ۱۱ را که در یک نمایشگاه به معرض نمایش گذاشته شده، نشان می‌دهد. آثار ذغال شدگی در این تصویر کاملاً مشخص است.

Picture5

سپرهای حرارتی ذغال شونده در نمونه­‌های ابتدایی سپرهای حرارتی بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در فضاپیماهای امریکایی سه نوع ماده مهم زیر در طراحی سپر حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است:

  • SLA-561V :

این ماده مقاومت کمی در مقابل نرخ تولید حرارت دارد و به همین دلیل برای مأموریت‌هایی که با گرمایش ایرودینامیکی کمی مواجه هستند مناسب است. ناسا در تمامی مأموریت­های ارسال فضاپیما به مریخ (به غیر از مریخ نورد کنجکاوی) از این ماده استفاده کرده است.

SLA

  • PICA :

این ماده سرامیکی یکی از مقاومترین نمونه‌های سپر حرارتی است و برای فضاپیماهای بازگشتی با نرخ گرمایش ایرودینامیکی بسیار بالا مورد استفاده قرار گرفته است. نمونه استفاده از این ماده را می­توان در کاوشگر استارداست (Stardust) که بیشترین سرعت ورود به جو را در بین تمامی فضاپیماهای بازگشتی داشته است مشاهده نمود. استار داست کاوشگر بدون سرنشینی بود که یک ستاره دنباله دار را دنبال کرد و ذراتی که به صورت دنباله از آن جدا می شد را جمع آوری کرد و به زمین بازگرداند. شکل زیر این سفینه را در محل فرودش نشان می دهد.

Picture8

  • AVCOAT :

این ماده که ترکیبی از شبکه لانه زنبوری از جنس فایبر گلاس (الیاف شیشه) و ماده میانی اپوکسی است، یک گزینه معمول برای فضاپیماهای با نرخ گرمایش تقریباً بالا است و مدت زمان زیادی از آن استفاده شده است. سفینه‌های آپولو از این ماده استفاده می­‌کردند و سفینه اریون که در دست تولید است هم از این ماده در سپر حرارتی‌اش استفاده خواهد کرد. شکل زیر مراحل ساخت این ماده را در فضاپیمای اریون نشان می‌دهد. اول شبکه لانه زنبوری ساخته می شود و بعد یک نفر با تفنگی به صورت زیر خانه به خانه این لانه زنبوری را پر می‌کند.

Picture12

۲. اسفنج گرمایی!: (Thermal Soak)

وقتی روی میز آب بریزد چه کار می‌کنید؟ یک روش معمول در این زمان‌ها این است که یک دستمال که می‌تواند مقدار زیادی آب در خود نگه دارد را روی آب ریخته شده قرار دهیم تا آب را جمع کند. روش Thermal Soak دقیقاً همین کار را با گرمای تولید شده در فرآیند گرمایش ایرودینامیکی انجام می‌دهد. در این روش از موادی استفاده می­‌شود که مقدار قابل توجهی از گرمای تولید شده در فرآیند گرمایش ایرودینامیکی را به صورت افزایش دمای خود و نه ذغال شدن در خود جای می‌دهند. این اصل باید در تمامی سفینه‌ها به صورت روش اصلی کنترل گرمایش و یا روش کمکی مورد توجه باشد. به این معنی که تمام مواد استفاده شده در سپرهای حرارتی صرف نظر از اینکه از روش دیگری هم برای ایفای نقش خود استفاده می­کنند یا نه، باید ضریب گرمای ویژه بالایی داشته باشند.

این موضوع علی الخصوص در مورد سپرهای حرارتی فداشونده مهم­تر است. زیرا در این­ سپرها اگر دما از حد مشخصی کمتر شود، فرآیند ذغال شدن متوقف می ­شود و به این صورت اگر ماده تشکیل دهنده سپر حرارتی ظرفیت گرمایی بالایی نداشته باشد حرارت به داخل سفینه منتقل می­شود. (در این زمان هرچند دما برای ذغال کردن سپر حرارتی کافی نیست، اما هنوز آنقدری هست که جان سرنشین‌ها را تهدید کند)

۳. خنک کاری:

یکی از روش‌هایی که می­‌تواند منجر به کنترل گرمای ناشی از گرمایش ایرودینامیک شود، این است که گرمای وارد شده به جسم از طریق دمای جریان هوا، به صورتی از جسم خارج شود. برای این کار می­توان از دو نوع خنک کاری منفعل و فعال استفاده کرد. خنک کاری منفعل (Passive) هیچ مکانیزمی برای انجام این کار ندارد و تنها می­توانیم با هوشمندی، سپر را طوری طراحی کنیم که روند انتقال حرارت به خارج از جسم را تسریع نماییم. انتقال حرارت تابشی یکی از روش­های منفعل خنک کاری سپر حرارتی است. در این روش سپر حرارتی از ماده‌ای ساخته می‌شود که در دمای نه چندان بالا شروع به قرمز شدن و نورانی شدن می‌کند (مثل اجسام خیلی داغ) و به این صورت مقداری از گرمایش را به صورت انرژی تابشی از خود دور می‌کند.

در سیستم‌های خنک کاری فعال (Active) هم گردش سوخت پشت سپر حرارتی، آن را خنک می‌کند.

تقسیم‌بندی زمانی

از نظر زمانی می­توان طراحی سپرهای حرارتی را به سه بخش تقسیم نمود.

دوره اول، تلاش‌های اولیه:

در اولین تلاش­های بشر برای تولید سپر حرارتی، که در دهه ۱۹۶۰ به اوج خود رسید، گسترش و مطالعه روی مواد، روشها و هندسه‌های مناسب برای تولید سپر حرارتی در جریان بوده است و در بسیاری از موارد از روش سپر فداشونده در طراحی سپر حرارتی استفاده می­‌شد. فضاپیماهای وستوک، وسخود، سایوز، مرکوری، جمینی و آپولو از فضاپیماهای مهم طراحی شده در این دوره زمانی هستند.

capsule-on-ground

تصویری از سفینه ی وستوک ۱، اولین سفینه حامل انسان. آثار سوختگی روی سطح آن کاملاً مشخص است.

مسأله استفاده از سپرهای فداشونده و غیر قابل استفاده مجدد بودن سفینه‌های این دوره هزینه­های سفرهای فضایی را به شدت افزایش می­داد و به همین دلیل به غیر از سفینه سایوز مابقی فضاپیماهای مذکور تعداد سفر بسیار کمی را تجربه نمودند.

دوره دوم، سفینه های قابل استفاده مجدد:

در حوالی سال­های ۱۹۸۰ دوران پرواز فضاپیماهای چندبار مصرف آغاز شد که انقلابی بزرگ در عملیات‌های فضایی به حساب می­‌آید. در این دوره و سال‌های بعد از آن تعداد زیادی از سفینه‌های قابل استفاده مجدد ساخته شدند یا برای عملیاتی شدن پیشنهاد شدند. شاتل­های ناسا، بوران، میگ ۱۰۵، دریم چیسر، کلیپر و… همگی نمونه هایی از سفینه های پیشنهاد شده یا ساخته شده هستند که از این بین تنها شاتل‌های تولید امریکا توانستند به مأموریت از پیش تعیین شده دست پیدا کنند.

Picture10

نکته جالب در مورد بسیاری از سفینه‌های قابل استفاده مجدد من جمله شاتل‌های فضایی استفاده از کاشی‌های مجزای سرامیکی در سپر حرارتی است که در صورت آسیب ناشی از مدت عمر طولانی، به صورت مستقل از هم قابل تعویض هستند.

دوره سوم، آینده:

در پایان دو نمونه از پروژه‌هایی که در آینده ساخته خواهند شد و در حال حاظر مراحل توسعه را طی می‌کنند، ذکر می­کنیم.

اولین سپر حرارتی مهمی که در دست ساخت است سپر حرارتی فضاپیمای اریون است. این فضاپیما بزرگ­ترین سپر حرارتی را در بین تمامی سفینه‌های دیگر دارد. شکل زیر انتقال سپر حرارتی اوریون توسط هواپیمای باربری ناسا را نشان می‌دهد.

Picture14

همانطور که گفته شد ماده تشکیل دهنده این سپر حرارتی، ماده AVCOAT است. این ماده برای فضاپیمای اریون که سفرهای با ارتفاع بالاتر از مدار زمین خواهد داشت مناسب است، چرا که  این ماده در سفینه آپولو در زمان خودش رکورددار تحمل بیشترین دمای بازگشت به جو بود.

در این فضاپیما از یک لایه ابتدایی براق برای محافظت سپر حرارتی در مقابل سرمای شدید فضا استفاده می­شود که می‌توانید در شکل زیر آن را ببینید.

Picture13

سپر حرارتی مهم دوم سپری چتر شکل است که در پروژه ای به نام ADEPT در دست ساخت است. در این پروژه از یک کامپوزیت انعطاف پذیر کربنی با تعدادی بازوی نگه دارنده به شکل یک چتر برای جلوگیری از آسیب رساندن گرما به فضاپیما استفاده می­‌شود.

Picture15

دلیل توسعه این سیستم این است که در مأموریت طراحی شده برای ارسال انسان به مریخ، فضای کافی برای جادادن یک سپر حرارتی بزرگ در داخل موشک حامل وجود ندارد. در تصویر زیر، مراحل باز شدن این سپر حرارتی را میبینیم:

adept2

شکل زیر هم تصویری زیبا از یکی از تست‌های این سپر حرارتی است. در این تست سپر حرارتی در مقابل جریان با سرعت بسیار بالا (بیش از چند برابر سرعت صوت) قرار می‌گیرد تا تحمل آن در مقابل گرمایش ایرودینامیک مورد بررسی قرار بگیرد.

maxresdefault


یک دیدگاه در ”سپرهای حرارتی

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.