Was sind die größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines wiederverwendbaren Hitzeschilds?

Da die überwältigende Mehrheit der Hitzeschilde von Natur aus ablativ und entbehrlich sind, ist es faszinierend, etwas über das TPS des Shuttles , sein Design und einige der Probleme zu lesen, mit denen es konfrontiert war. Ich glaube, dass irgendwann in der (wahrscheinlich fernen) Zukunft die Entwicklung wiederverwendbarer Hitzeschutzsysteme von Interesse sein wird. Nehmen wir für einen Moment an, dass meine Spekulation korrekt ist (bitte kommentieren Sie, wenn Sie der Meinung sind, dass dies nicht der Fall ist), was wären die wichtigsten Designherausforderungen, denen sich eine solche Entwicklung gegenübersieht?

Antworten (3)

Kosteneffizient machen

Einer der großen Ausgaben im Shuttle-Programm war die Inspektion und Überholung des Hitzeschilds nach jedem Flug. Eine Hauptbedingung für die Wiederverwendung ist, dass die Ausrüstung teuer und nach dem Flug noch nützlich ist. Selbst wenn sie spezialisiert und für einen einzigen Zweck bestimmt sind, sind Thermokacheln nicht gerade teuer in der Herstellung und können eher von einer höheren Produktionsrate als von der Wiederverwendung profitieren. (Ein kleiner Markt für gebrauchte Shuttle-Fliesen scheint zu existieren, ist aber für die Gesamtwirtschaft nicht so wichtig.)

Ein weiteres Problem ist die Zuverlässigkeit, man muss mühsam aufpassen, um den einen unsichtbaren Riss oder die Schwächung zu finden, die in einer Katastrophe enden kann. Ein Hitzeschilddefekt ist kein Grund zur Unachtsamkeit und um die Qualität zu garantieren, ist ein enormer Aufwand an Handarbeit erforderlich.

Wir erinnern uns an Kolumbien

Liege ich in meinem Eindruck richtig, dass Shuttle-Kacheln dem faserigen feuerfesten Blockmaterial ähnlich sind, das sich in praktisch jedem Industrieofen befindet?
Industrieöfen unterliegen keinen strengen Gewichtsbeschränkungen.
@OrganicMarble Sicherlich, aber die faserige feuerfeste Isolierung, die ich beschreibe, ist ein sehr leichtes Material, auch wenn nicht in dem Maße wie Space-Shuttle-Fliesen (da es aufgrund seines geringen Gewichts ein besserer Isolator ist).

Hohmannfan erläuterte das grundlegende Problem hinter der Entwicklung eines vollständig wiederverwendbaren Hitzeschilds.

Ich glaube, dass eine praktikablere Alternative die Entwicklung eines kostengünstigen, einfach anzuwendenden Ablators ist. Sogar eine Art, die ein Astronaut während eines Weltraumspaziergangs oder nach der Landung auf einem Planeten aufsprühen könnte.

Ablator als solches ist chemisch wirklich keine sehr komplexe Idee und lässt viel Raum für Verbesserungen in anderen Aspekten als "Ablativ". Das Auftragen auf Shuttle-Tanks erfolgte durch ein Aufsprühverfahren. Machen Sie also den festen, harten, nicht abtragenden Teil des Hitzeschilds wiederverwendbar, aber wenden Sie den Ablator bei Bedarf erneut an - auch unter Feldbedingungen. Behandeln Sie es einfach als Verbrauchsmaterial wie Kraftstoff oder Lebensmittel, nicht als Teil wie einen Motor - der Hitzeschild "verbraucht" Ablator, so wie der Motor Kraftstoff verbraucht.

Die USAF versuchte eine wiederverwendbare ablative Beschichtung auf der X-15, aber es war ein Albtraum "... es war unmöglich, sie für die Verwendung während eines anderen Fluges wiederherzustellen. Für jede neue Mission wäre eine völlig neue Beschichtung erforderlich." ref: Aerofax Datagraph 2 North American X-15 von Günther / Miller / Panopalis. Auch die ET-Beschichtung war nicht ablativ, außer an sehr begrenzten Orten nasa.gov/sites/default/files/114022main_TPS_FS.pdf
Ich würde wirklich fragen, wie ein Spray in einem Vakuum funktionieren könnte. Denken Sie daran, dass die meisten Materialien in einem Vakuum sublimieren, also sprühen Sie entweder ein Pulver (das strukturell Hyperschall-Stoßwellen nicht überleben würde) oder Sie sprühen ein Gas (das strukturell nicht überleben würde ... Zeit / Brownsche Bewegung).
Mir scheint, Sie könnten ein Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck wie Fomblin verwenden, das nur allmählich verdunsten würde, oder vielleicht ein lösungsmittelfreies Material vom Epoxidtyp, das klebrig oder flüssig bleiben würde, bis es durch chemische Reaktionen oder Sonnenlicht vernetzt wird.

Dem OP fehlt der Punkt, was ein ablativer Hitzeschild tatsächlich tut.

Die Hauptfunktion des Hitzeschilds besteht nicht darin, die Kapsel zu schützen. Eine aerodynamische Hülle würde weitaus besser abschneiden als ein Hitzeschild.

Die Hauptfunktion eines Hitzeschilds besteht darin, eine Kapsel von der Umlaufgeschwindigkeit abzubremsen.

Dies geschieht durch die Umwandlung von kinetischer Energie in eine enorme Menge an Wärme.

Tatsächlich berührt ein Großteil der erzeugten Wärme niemals den Hitzeschild.

Die Kapsel durch reine Isolierung zu schützen ist ziemlich schwierig. Da eine enorme Energiemenge abgeführt werden muss, oder der Hitzeschild die enormen Temperaturunterschiede für die langwierige Wiedereintrittssequenz (über 10 Minuten lang) isolieren müsste.

Außerdem liegt die Hauttemperatur bei etwa 160°C, was über dem Schmelzpunkt vieler Materialien liegt. Die meisten Materialien würden bei dieser Temperatur strukturell versagen.

http://h2g2.com/approved_entry/A6381038

Mein Punkt ist natürlich, dass Sie tatsächlich versuchen, einen wiederverwendbaren Meteoritenfänger (in Bezug auf Energie) zu bauen.

Ja, Raumfahrzeuge verlassen sich beim Wiedereintritt auf Reibung, um langsamer zu werden und zu landen. Die Hauptaufgabe des Hitzeschildes besteht jedoch darin, die dabei entstehende Wärmelast abzuführen. Die stumpfe Form des Hitzeschildes ist zweifach. Erstens ist die Wärmebelastung umgekehrt proportional zum Luftwiderstandsbeiwert des Schilds. Zweitens fängt die stumpfe Form die Stoßwelle vor dem Fahrzeug ein und verhindert, dass die heißen Gase in direkten Kontakt mit dem Fahrzeug kommen. Wenn eine stumpfe Form die Wärme nicht besser ableiten und das Fahrzeug schützen würde, wäre es nicht die Designform.
@Beanre Ich habe das Wort Reibung absichtlich vermieden, weil es irreführend ist. Der Mechanismus ist eigentlich aerodynamischer Natur. Mein Punkt ist, dass die thermische Belastung so etwas wie ein Meteoriteneinschlag im Energiebereich ist.
Ich bin mir nicht sicher, ob ich dir folge. Was ist irreführend daran, das Wort Reibung im Zusammenhang mit der Aerodynamik zu verwenden? Mein Punkt ist, dass der Hauptzweck des Hitzeschilds nicht darin besteht, eine Kapsel von der Umlaufgeschwindigkeit abzubremsen - es wird aus einem bestimmten Grund Hitzeschild genannt. Der Hauptgrund dafür, dass keine aerodynamische Hülle verwendet wird, liegt darin, dass sie die Hitzebelastung nicht bewältigen und das Fahrzeug nicht schützen würde.
@Beanre, eine aerodynamische Hülle würde versagen, wenn das Aerobraking zum Lithobraking übergeht. Es ist keine Reibung, wenn der Großteil der Energie, die verbraucht wird, nicht auf der Haut der Kapsel auftritt.