Aérospatial

Qu'est-ce qui empêche les vaisseaux spatiaux de brûler pendant la rentrée?

Qu'est-ce qui empêche les vaisseaux spatiaux de brûler pendant la rentrée?


Faire entrer des astronautes dans l'espace met les ingénieurs au défi avec des problèmes d'une difficulté sans précédent. Bien que le vaisseau spatial ait pu avoir fait ses preuves lors du lancement et de la durée de l'exposition spatiale, il doit encore endurer l'un des défis les plus exigeants de tous: la réentrée. À la fin d'une mission, les vaisseaux spatiaux rentrent dans l'atmosphère terrestre alors qu'ils voyagent au-delà de30 000 km / h. L'énorme vitesse du véhicule de rentrée comprime l'air en dessous en une boule de plasma chaude qui encercle l'engin. Pour ramener les astronautes à la maison en toute sécurité, il faudra les protéger de la chaleur lorsqu'elle atteintdes milliers de degrés.

Les dangers de la rentrée

Les archéologues ont compris depuis longtemps que les astéroïdes brûlent lorsqu'ils tombent dans l'atmosphère. Le fait a instillé la peur chez les scientifiques pendant des décennies alors qu'ils s'interrogeaient sur la possibilité de concevoir un véhicule suffisamment solide pour résister à l'environnement périlleux créé par la rentrée.

L'un des plus grands défis imposés aux ingénieurs aérospatiaux est de développer un matériau de protection thermique qui ne soit pas compromis, même à des températures aussi élevées que 1700 degrés Celsius.

Une variété de systèmes de protection thermique (TPS) est utilisée pour empêcher les vaisseaux spatiaux de brûler de manière préventive. Le bouclier thermique est la principale défense d'un véhicule de rentrée contre la chaleur intense ressentie lors de sa chute dans l'atmosphère.

Grèves de catastrophe

L'une des leçons durement apprises de la rentrée a eu lieu lors du vol fatal de Columbia le 1er février 2003. Lors du lancement, un gros morceau de mousse de la taille d'une mallette s'est déchiré et a endommagé un panneau pare-chaleur sur le aile gauche. La mission s'est déroulée comme d'habitude jusqu'à ce qu'une catastrophe se produise lors de la rentrée. Le plasma surchauffé a pénétré dans l'aile compromise et a rapidement brûlé sa structure. Malheureusement, le Columbia a entamé une chute incontrôlable, le faisant se désintégrer. Sept astronautes ont perdu la vie ce jour-là.

Cependant, le malheureux accident obligerait la NASA à repenser la navette spatiale. Plus d'une décennie plus tard, la NASA met en œuvre les leçons apprises sur son nouveau navire,Orion.

Technologies précédentes

Les premiers vaisseaux spatiaux habités, y compris Mercure, Gemini et Apollo, ne pouvaient pas être manœuvrés pendant la rentrée. Les capsules spatiales avaient suivi des trajectoires de rentrée balistique avant de plonger dans l'océan.

De grands boucliers thermiques constitués de résines époxy phénoliques dans un réseau en nid d'abeilles en alliage de nickel protégeaient les capsules pendant la rentrée. Les boucliers pouvaient résister à des taux de chauffage incroyablement élevés, une nécessité absolue parmi les véhicules de rentrée.

Les missions Apollo sur la lune ont posé un grand obstacle d'ingénierie depuis les capsules, alors qu'elles revenaient de la lune et entraient dans l'atmosphère à plus de 40000 km / h. L'écran thermique était capable d'abler ou de brûler la couche de charbon de manière contrôlable pour protéger les couches sous-jacentes. Bien que le bouclier thermique ait été efficace, il y avait quelques inconvénients critiques.

Les boucliers étaient lourds et étaient liés directement au véhicule. De plus, ils n'étaient pas réutilisables.

Le système de protection thermique (TPS) le plus impressionnant appartient peut-être à celui de l'orbiteur de la navette spatiale. Le programme de la navette spatiale nécessitait un bouclier thermique entièrement repensé. Avec une durée de vie incroyablement longue 100 missions, son isolation devait non seulement être performante, mais également être réutilisable. Son succès en ingénierie fournira les technologies innovantes qui seront intégrées à la prochaine génération de programmes spatiaux.

Le système de protection thermique de la navette spatiale

Dans l'espace, l'orbiteur ferait le tour du monde chaque 90 minutes. Le temps du jour à la nuit verrait des fluctuations de température de -130 degrés Celsius à près de 100 degrés Celsius, sans parler des températures de rentrée.

Bien qu'il existe de nombreux matériaux suffisamment durables pour résister aux forces de rentrée, peu d'entre eux peuvent résister à la chaleur. Lors de la rentrée de l'Orbiter, ses surfaces externes ont atteint des températures extrêmes allant jusqu'à 1 648 ° C (3 000 ° F).

Malgré la chaleur extrême ressentie par le TPS, de nombreux systèmes fonctionnent ensemble pour maintenir la peau extérieure de l'orbiteur sous 176 ° C (350 ° F). Bien que les composants externes puissent survivre à des centaines de degrés, la cellule en aluminium ne peut résister qu'à des températures allant jusqu'à un maximum de 150 ° C. Des températures bien au-delà du seuil rendront le cadre plus souple et en conséquence compromis. Les systèmes de protection thermique en place garantissent que la cellule ne dépasse pas la limite thermique.

Les matériaux utilisés pour garder l'Orbiter au frais

Le premier orbiteur opérationnel de la NASA, également connu sous le nom de Columbia, a été construit à partir de quatre matériaux primaires. Les matériaux comprennent du carbone-carbone renforcé (RCC), des carreaux d'isolation de surface réutilisables à basse et haute température (LRSI et HRSI, respectivement) et des couvertures d'isolation de surface réutilisable en feutre (FRSI).

Différentes parties de l'avion subissent des températures différentes et nécessitent donc des matériaux différents. Les pièces les plus exposées à la chaleur, y compris le nez et le dessous de l'Orbiter, sont fabriquées à partir des matériaux les plus résistants thermiquement. Les bords d'attaque nécessitent un revêtement carbone-carbone renforcé en plus sur les carreaux d'isolation haute température.

D'autres zones, y compris la majeure partie du fuselage, ont été couvertes de pointe flexible et réutilisable couvertures isolantes.

[Image courtoisie de NASA]

Tous les composants qui entrent en contact avec l'extérieur sont recouverts de revêtements à haute émissivité pour garantir que le Shuttle réfléchit la majeure partie de la chaleur thermique. Cependant, la différence de couleur joue également un rôle essentiel.

Les carreaux noirs et blancs, bien que de composition similaire, exécutent différentes tâches lors de la rentrée. Les carreaux blancs sur la surface supérieure du matériau conservent une réflectivité thermique élevée (tendance à absorber une chaleur minimale). Les carreaux noirs sont plutôt optimisés pour une émissivité maximale, ce qui leur permet de perdre de la chaleur plus rapidement que les carreaux blancs.

Comment ils travaillent

Les carreaux qui absorbent une grande partie de la force brute lors de la rentrée sont constitués d'aérogels de silice. Le matériau utilisé sous l'Orbiter (connu sous le nom de LI-900) est 94 pour cent en volume d'airce qui le rend incroyablement léger. Les carreaux sont spécialement conçus pour résister aux chocs thermiques. Un LI-900 est capable d'être chauffé à 1200 degrés puis de plonger dans l'eau froide sans subir de dommages. Cependant, l'optimisation des carreaux à faible densité et à haute résistance aux chocs conduit à un compromis sur sa résistance globale.

Les zones de fortes contraintes nécessitent un matériau plus robuste; Les zones de fortes contraintes nécessitent un matériau plus robuste; un problème résolu plus tard par le matériau LI-2200. Les tuiles LI-2200 sont modifiées pour résister à plus de force. Cependant, les carreaux plus solides ont également leurs inconvénients. Une tuile LI-2200 pèse 22 livres par pied cube de densité apparente par rapport au LI-900 beaucoup plus léger avec une densité de seulement 9 livres par pied cube.

Re-entrer dans l'atmosphère aujourd'hui

Bien que les astronautes n'aient pas visité la Lune depuis un certain temps, et bien que le programme de la navette spatiale ait depuis été abandonné, les astronautes visitent régulièrement l'ISS pour effectuer des expériences et des réparations. Bien que les vaisseaux spatiaux aient changé, les technologies qui les ramènent à la maison conservent les mêmes principes.

Vaisseau spatial Orion

Le magnum opus actuel de la NASA est leur vaisseau spatial révolutionnaire Orion. La NASA promet que le vaisseau spatial emmènera les humains plus loin que jamais, y compris Mars. Bien que le nouveau vaisseau spatial ait nécessité une refonte totale de ses systèmes de rentrée.

Alors que la navette spatiale a un TPS remarquable, les ingénieurs ont largement abandonné l'idée de boucliers thermiques réutilisables au profit de carreaux à usage unique bon marché et faciles à fabriquer.

La capsule Orion ne glissera pas comme la navette spatiale l'a fait autrefois. Au lieu de cela, des parachutes sont utilisés pour assurer un retour en toute sécurité sur Terre. Le module d'équipage d'Orion est conçu pour rentrer à des vitesses supérieures à40000 km / h.

Comment l'Orion survit à la rentrée

La grande surface du fond de la capsule fonctionne pour prendre le pas de la force. Comme les véhicules de rentrée Apollo, le bouclier thermique d'Orion est conçu pour ablater (brûlure contrôlable). Le bouclier est suffisamment aérodynamique pour maintenir une trajectoire de vol stable, mais suffisamment émoussé pour ralentir la descente à une vitesse de juste 500 km / h.

Après avoir atteint une vitesse raisonnable, plusieurs petits parachutes d'un peu plus de 2 mètres de diamètre ralentissent l'avion de seulement 30 km / h. De là, une série de grands parachutes avec des diamètres de7 mètressont déployés pour ralentir la capsule 200 km / h juste 3 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. Enfin, trois parachutes principaux massifs d'un diamètre de 35 mètres chacun ralentissent le taux de descente à une vitesse survivable. Bien que l'atterrissage ne soit pas joli.

Cependant, c'est grâce au travail acharné que les astronautes accomplissent aujourd'hui qui permettra à l'humanité de faire le prochain pas de géant. Bientôt, les missions emmèneront les humains bien au-delà de la portée de la Terre pour explorer des planètes d'un autre monde.

Écrit par Maverick Baker


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