Как охлаждать многоразовые космические корабли при входе в атмосферу? А что если заставить их «потеть»?
Ученые из Техасского университета A&M совместно с компанией Canopy Aerospace разрабатывают систему теплозащиты для многоразовых космических кораблей, вдохновленную механизмом потоотделения живых организмов. Технология транспирационного охлаждения, проходящая сейчас лабораторные испытания, способна кардинально сократить время межполетной подготовки аппаратов и снизить стоимость запусков, что особенно критично для проектов «космического конвейера» будущего.
Ключевая проблема современных многоразовых кораблей — несовершенство теплозащиты. Абляционные экраны, сгорающие при входе в атмосферу, требуют полной замены после каждого полета. Керамические плитки, как на шаттлах, выдерживают многократное использование, но хрупки и нуждаются в трудоемкой инспекции и ремонте. Оба варианта делают быструю ротацию кораблей невозможной.
Принцип «кожного дыхания» для гиперзвука
В основе новой разработки лежит идея транспирационного охлаждения. Внешняя оболочка корабля выполняется из пористого материала, напоминающего кожу. Под ней располагается резервуар с охлаждающим газом. При входе в плотные слои атмосферы и критическом нагреве обшивки газ под давлением начинает просачиваться сквозь поры наружу.
Этот процесс решает две задачи одновременно. Во-первых, сам выход газа отводит тепло от материала. Во-вторых, и это главное, выделяющийся газ формирует вокруг корпуса тонкую изолирующую пленку — «кокон». Он физически отделяет раскаленную плазму от поверхности корабля. Как поясняют инженеры, аналогия проста: пуховик греет не пухом, а воздухом, запертым в его структуре. Здесь газ выполняет ту же функцию, но наоборот — защищает от внешнего жара, а не от холода.
Материал будущего: керамика с порами
Для реализации системы потребовался уникальный материал, сочетающий высокую прочность с контролируемой пористостью. Инженеры Canopy Aerospace создали его с помощью 3D-печати на основе карбида кремния — тугоплавкой керамики, способной выдерживать экстремальные температуры и механические нагрузки. Аддитивные технологии позволили сформировать сложную внутреннюю структуру, обеспечивающую равномерное «просачивание» газа по всей поверхности.
Сейчас прототипы проходят испытания в гиперзвуковой аэродинамической трубе. Исследователи под руководством аспиранта Уильяма Мэтьюса проверяют, насколько эффективно газовый «кокон» снижает температуру обшивки по сравнению с обычным материалом. Успех этих тестов откроет путь к созданию кораблей, готовых к новому старту практически сразу после приземления: достаточно будет заправить баки охладителем и провести быструю диагностику.
Разработка уже привлекла внимание Министерства обороны США: проект получил грант в 1,7 миллиона долларов от ВВС в рамках программы передачи технологий малому бизнесу. Если лабораторные испытания подтвердят эффективность концепции, перед космической отраслью откроется перспектива создания по-настоящему многоразовых аппаратов, способных летать по расписанию коммерческих авиарейсов.
