Aeroespacial

O que impede as naves espaciais de queimar durante a reentrada?

O que impede as naves espaciais de queimar durante a reentrada?

Levar astronautas ao espaço desafia os engenheiros com problemas difíceis sem precedentes. Embora a espaçonave possa ter sido testada durante o lançamento e a duração da exposição espacial, ela ainda deve suportar um dos desafios mais exigentes de todos: a reentrada. No final de uma missão, as naves espaciais entram novamente na atmosfera da Terra à medida que viajam em excesso de30.000 km / h. A tremenda velocidade do veículo de reentrada comprime o ar abaixo em uma bola quente de plasma que circunda a nave. Levar os astronautas para casa com segurança exigirá protegê-los do calor quando chegarmilhares de graus.

Os perigos da reentrada

Os arqueólogos há muito entenderam que os asteróides queimam à medida que caem na atmosfera. O fato inspirou medo nos cientistas por décadas, enquanto eles se perguntavam sobre a possibilidade de projetar um veículo forte o suficiente para suportar o ambiente perigoso que a reentrada cria.

Um dos maiores desafios impostos aos engenheiros aeroespaciais é desenvolver um material de proteção térmica que não seja comprometido, mesmo em temperaturas tão altas quanto 1.700 graus Celsius.

Uma variedade de Sistemas de Proteção Térmica (TPS) é empregada para evitar que as naves espaciais queimem preventivamente. O escudo térmico é a defesa primária de um veículo de reentrada contra o intenso calor experimentado quando eles caem na atmosfera.

Ataques de desastre

Uma das lições duramente aprendidas da reentrada foi durante o voo fatal do Columbia em 1º de fevereiro de 2003. Durante o lançamento, um grande pedaço de espuma do tamanho de uma pasta se soltou e causou alguns danos a um painel de proteção contra calor no ASA esquerda. A missão prosseguiu como de costume até o desastre ocorrer durante a reentrada. O plasma superaquecido penetrou na asa comprometida e rapidamente queimou sua estrutura. Infelizmente, o Columbia começou uma queda incontrolável, causando sua desintegração. Sete astronautas perderam a vida naquele dia.

No entanto, o infeliz acidente forçaria a NASA a redesenhar o ônibus espacial. Mais de uma década depois, a NASA está implementando as lições aprendidas em seu novo navio,Orion.

Tecnologias anteriores

As primeiras espaçonaves tripuladas, incluindo Mercury, Gemini e Apollo, não podiam ser manobradas durante a reentrada. As cápsulas espaciais seguiram trajetórias balísticas de reentrada antes de mergulharem no oceano.

Grandes blindagens térmicas construídas com resinas epóxi fenólicas em uma matriz de colmeia de liga de níquel protegeram as cápsulas durante a reentrada. Os escudos podiam suportar taxas de aquecimento incrivelmente altas, uma necessidade extrema entre os veículos de reentrada.

As missões lunares da Apollo representaram um grande obstáculo de engenharia desde as cápsulas, pois voltaram da lua e entraram na atmosfera em mais de 40.000 km / h. O escudo térmico foi capaz de remover ou queimar a camada de carvão de forma controlada para proteger as camadas subjacentes. Embora o escudo térmico fosse eficaz, havia algumas desvantagens críticas.

Os escudos eram pesados ​​e estavam presos diretamente ao veículo. Além disso, eles não eram reutilizáveis.

Talvez o mais impressionante sistema de proteção térmica (TPS) pertença ao orbitador do ônibus espacial. O programa do ônibus espacial exigiu um escudo térmico totalmente redesenhado. Com uma vida de design incrivelmente longa de 100 missões, seu isolamento não só precisava ter um bom desempenho, mas também precisava ser reutilizável. Seu sucesso de engenharia fornecerá as tecnologias inovadoras que levarão à próxima geração de programas espaciais.

O sistema de proteção térmica do ônibus espacial

No espaço, o Orbiter circundaria o mundo a cada 90 minutos. O período do dia para a noite veria flutuações de temperatura de -130 graus Celsius a quase 100 graus Celsius, sem falar nas temperaturas de reentrada.

Embora existam muitos materiais duráveis ​​o suficiente para resistir às forças da reentrada, muitos não podem suportar o calor. Durante a reentrada do Orbiter, suas superfícies externas atingiram temperaturas extremas de até 1.648 ° C (3.000 ° F).

Apesar do calor extremo experimentado pelo TPS, muitos sistemas trabalham juntos para manter a pele externa do Orbiter abaixo 176 ° C (350 ° F). Embora os componentes externos possam sobreviver a centenas de graus, a estrutura de alumínio só pode suportar temperaturas de até um máximo de 150 ° C. Temperaturas muito além do limite farão com que o quadro fique macio e comprometido como resultado. Os sistemas de proteção térmica existentes garantem que a estrutura do avião não exceda o limite térmico.

Os materiais usados ​​para manter o Orbiter fresco

O primeiro orbitador operacional da NASA, também conhecido como Columbia, foi construído a partir de quatro materiais primários. Os materiais incluem carbono-carbono reforçado (RCC), telhas de isolamento de superfície reutilizáveis ​​de baixa e alta temperatura (LRSI e HRSI, respectivamente) e mantas de isolamento de superfície reutilizável de feltro (FRSI).

Diferentes partes da aeronave sofrem temperaturas diferentes e, portanto, requerem materiais diferentes. As partes mais expostas ao calor, incluindo o nariz e a parte inferior do Orbiter, são feitas dos materiais mais resistentes ao calor. As bordas de ataque requerem um revestimento de carbono-carbono adicionalmente reforçado no topo das telhas de isolamento de alta temperatura.

Outras áreas, incluindo a maior parte da fuselagem, foram cobertas por avançados flexíveis e reutilizáveis cobertores de isolamento.

[Imagem cortesia de NASA]

Todos os componentes que entram em contato com o exterior são cobertos por revestimentos de alta emissividade para garantir que o Shuttle reflita a maior parte do calor térmico. Porém, a diferença de cor também desempenha um papel vital.

Ladrilhos preto e branco, embora semelhantes em composição, executam tarefas diferentes durante a reentrada. Os ladrilhos brancos na superfície superior do material retêm uma alta refletividade térmica (tendência de absorver calor mínimo). Em vez disso, os ladrilhos pretos são otimizados para a emissividade máxima, o que lhes permite perder calor mais rápido do que os ladrilhos brancos.

Como eles trabalham

Os ladrilhos que absorvem grande parte da força bruta durante a reentrada são feitos de aerogéis de sílica. O material usado na parte inferior do Orbiter (conhecido como LI-900) é 94 por cento em volume de artornando-o incrivelmente leve. As placas são projetadas especificamente para resistir a choques térmicos. Um LI-900 é capaz de ser aquecido a 1200 graus e então mergulhar em água fria sem sofrer danos. Porém, otimizar os ladrilhos com baixa densidade e alta resistência ao choque leva a um comprometimento em sua resistência geral.

Áreas de alta tensão requerem um material mais robusto; Áreas de alta tensão requerem um material mais robusto; um problema depois resolvido pelo material LI-2200. As telhas LI-2200 são modificadas para resistir a mais força. Porém, os tiles mais fortes também têm suas desvantagens. Uma telha LI-2200 pesa 22 libras por pé cúbico de densidade aparente em comparação com o LI-900 muito mais leve com uma densidade de apenas 9 libras por pé cúbico.

Reentrando na atmosfera hoje

Embora os astronautas não visitem a lua por um tempo, e embora o programa do ônibus espacial tenha sido abandonado, os astronautas visitam a ISS rotineiramente para realizar experimentos e reparos. Embora as espaçonaves tenham mudado, as tecnologias que as trazem de volta para casa mantêm os mesmos princípios.

Nave espacial Orion

A atual magnum opus da NASA é sua revolucionária espaçonave Orion. A NASA promete que a espaçonave levará os humanos mais longe do que nunca, incluindo Marte. Embora, a nova espaçonave exigisse uma revisão total de seus sistemas de reentrada.

Embora o Ônibus Espacial tenha notável TPS, os engenheiros abandonaram em grande parte a ideia de escudos térmicos reutilizáveis ​​em favor de placas descartáveis ​​de fácil manufatura e baratas.

A cápsula Orion não planará como o ônibus espacial antes. Em vez disso, paraquedas são usados ​​para garantir um retorno seguro à Terra. O módulo da tripulação do Orion é projetado para reentrar em velocidades superiores a40.000 km / h.

Como o Orion sobrevive à reentrada

A grande área de superfície da parte inferior da cápsula atua para absorver o impacto da força. Como os veículos de reentrada da Apollo, o escudo térmico do Orion é projetado para ablação (queima controlável). O escudo é aerodinâmico o suficiente para manter uma trajetória de vôo estável, mas rombudo o suficiente para desacelerar a descida para uma velocidade de apenas 500 km / h.

Depois de atingir uma taxa razoável, vários pequenos paraquedas com pouco mais de 2 metros de diâmetro reduzem a velocidade da aeronave em apenas 30 km / h. A partir daí, uma série de grandes paraquedas com diâmetros de7 metrossão implantados para desacelerar a cápsula para 200 km / h somente 3 quilômetros acima da superfície da Terra. Finalmente, três enormes pára-quedas principais com um diâmetro de 35 metros cada reduzem a velocidade de descida para uma velocidade de sobrevivência. Embora o pouso não seja bonito.

No entanto, é por meio do árduo trabalho que os astronautas realizam hoje que fará a humanidade avançar para o próximo salto gigante. Em breve, as missões levarão os humanos muito além do alcance da Terra para explorar planetas de outro mundo.

Escrito por Maverick Baker

Assista o vídeo: COMO AS NAVES ESPACIAIS SE MOVEM NO ESPAÇO? (Novembro 2020).