Вход в атмосферу планеты — один из самых опасных этапов космической миссии. Аппарат разгоняется до гиперзвуковых скоростей и испытывает колоссальный нагрев из-за трения о молекулы газа. Именно поэтому спускаемые аппараты и роверы оснащают теплозащитными экранами, которые постепенно «выгорают», защищая полезную нагрузку.

Новое исследование учёных из Grainger College of Engineering Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн показало: состав атмосферы сильно влияет на то, как работает теплозащита. Результаты опубликованы 5 февраля в журнале Carbon.

Эксперименты в плазменной аэродинамической трубе

Чтобы смоделировать условия гиперзвукового входа в атмосферу, команда под руководством профессора Франческо Панераи провела серию испытаний в установке Plasmatron X — одной из самых мощных плазменных аэродинамических труб в мире, расположенной на территории университета.

Учёные имитировали взаимодействие теплозащитного материала с разными газами. Главный вывод оказался неожиданным даже для специалистов.

«Когда мы меняли состав газа, явление абляции вело себя совершенно по-разному», — рассказал Франческо Панераи в заявлении от 12 марта.

В обычной земной атмосфере, где присутствует кислород, абляция происходит равномерно и предсказуемо: поток газа постепенно сносит поверхность экрана, и частицы материала уносятся постоянным потоком.

Однако при отсутствии кислорода картина резко меняется.

«Когда кислород убирается, процесс становится нестабильным. Наблюдаются прерывистые вспышки выбросов частиц, а иногда абляция становится по-настоящему бурной и даже агрессивной», — отметил Панераи. «Я занимаюсь исследованиями абляции уже больше 15 лет, но никогда такого не видел. Мы все были очень удивлены, когда впервые наблюдали это поведение в трубе».

Почему это важно для будущих миссий

Понимание влияния химического состава атмосферы критически важно для проектирования теплозащиты. В ближайшие годы NASA планирует отправить к Титану — крупнейшему спутнику Сатурна — роботизированный летательный аппарат Dragonfly. Запуск намечен на 2028 год.

Атмосфера Титана сильно отличается от земной: она состоит примерно на 95 % из азота и на 5 % из метана. На Земле соотношение иное — 78 % азота и 21 % кислорода. Именно поэтому поведение теплозащитного экрана при входе в атмосферу Титана может сильно отличаться от привычного земного сценария.

Dragonfly должен изучить поверхность Титана, в том числе углеводородные озёра и реки, и поискать молекулы — возможные предшественники жизни.

«Хотя эта работа напрямую не влияет на конструкцию теплозащитного экрана, она имеет очень глубокие последствия для понимания физики материала при экстремальных температурах, — подчеркнул Панераи. — Знание того, при каких условиях этот нестабильный режим становится заметным, поможет нам создавать более надёжные теплозащитные экраны».

Вкратце

Исследователи Университета Иллинойса в экспериментах с плазменной трубой Plasmatron X обнаружили, что состав атмосферы существенно влияет на поведение теплозащитных экранов при гиперзвуковом входе. В присутствии кислорода (как на Земле и Венере) абляция происходит равномерно, а при преобладании азота и метана (как на Титане) процесс становится нестабильным и может сопровождаться резкими выбросами частиц. Эти результаты важны для предстоящей миссии NASA Dragonfly к Титану в 2028 году и помогут улучшить модели поведения материалов в разных планетных атмосферах. Исследование опубликовано в журнале Carbon.