При входе в атмосферу Земли космический корабль не сгорает полностью, а жертвует внешней поверхностью теплозащитного экрана, чтобы защитить остальную часть аппарата. Углеродные волокна разлагаются, рассеивая тепло.
Ранее предполагалось, что это происходит только на поверхности, но в недавнем исследовании учёные из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне и четырёх других учреждений получили новую информацию о том, как изменяется защитный материал из углеродного волокна не только на поверхности, но и под ней, где может произойти разрушение конструкции и это поставит под угрозу жизнь аппарата.
«Мы часто предполагаем, что деградация теплозащитного экрана происходит только на поверхности, что не всегда является плохим предположением. Но, учитывая деградацию, которую мы наблюдали по всему объёму материала, наша работа показывает, что это предположение не всегда верно, демонстрируя, что целостность конструкции теплозащитного экрана может быть значительно нарушена при определённых условиях», — говорит аспирант аэрокосмической инженерии Бен Рингел. «Кроме того, такое глубокое ослабление может привести к отслоению — когда большие куски материала отрываются, что приводит к ускоренному ухудшению работы системы тепловой защиты».
По словам научного руководителя Рингела, Франческо Панераи, «окисление углеродного волокна — ключевой процесс в тепловой защите. Он также является одним из наиболее изученных в материаловедении, и его теория очень хорошо разработана. Но здесь мы провели элегантный, простой, хотя и очень сложный в исполнении эксперимент. Впервые мы смогли увидеть эту теорию в действии с некоторыми неожиданными поворотами».
Панераи и его коллеги из Лаборатории перспективных световых источников в Беркли проводили эксперименты в Институте Пауля Шерера в Швейцарии. Они использовали линию TOMCAT в Swiss Light Source — специализированном центре, где динамические процессы можно отслеживать в пространстве и времени, используя сверхбыструю конечную станцию и специальную систему камер, которая позволяет разрешать микронные структуры с субсекундным временным разрешением в течение длительного времени.
Команда подвергла небольшие образцы абляционного материала из углеродного волокна нагреву под действием яркого рентгеновского излучения TOMCAT, собирая серию трёхмерных изображений образца по мере его вращения и потребления кислородом.
«Уровень детализации, который предоставил TOMCAT, был невероятным, — сказал Панераи. — Мы могли наблюдать абляцию волокон с разрешением, которого раньше не видели».
Рингелу было предоставлено около 19 ТБ необработанных данных, собранных в Швейцарии, и он начал их обрабатывать.
«После реконструкции данных я использовал глубокое обучение для их сегментации — выделения волокон из пустот, — сказал Рингел. — Это была огромная задача по управлению данными. С самого начала я мог качественно увидеть сдвиг в реакции материала между различными условиями».
Далее последовал интенсивный анализ. Рингел изучил, как легко кислород проникает через материал по сравнению с тем, как быстро он реагирует с углеродными волокнами.
«Доступного кислорода для реакции с углеродными волокнами ограниченное количество, — сказал Рингел. — В условиях высоких температур реакции происходят быстро, и у кислорода нет времени проникнуть в материал, прежде чем он будет израсходован на поверхности. Но по мере снижения температуры реакции замедляются, давая кислороду время проникнуть через материал, что приводит к ослаблению волокон по всему объёму материала».
«Мы зафиксировали это. Мы визуализировали и количественно оценили, насколько глубоко в материал проникают реакции в зависимости от температуры и давления. Мы нанесли их на карту, используя безразмерный анализ, который описывает конкуренцию между скоростью диффузии и скоростью реакции в материалах. Наши данные с изображений коррелировали с тем, что мы видели».
Второй этап анализа включал тесное сотрудничество с Исследовательским центром Эймса НАСА. Рингел и его коллеги использовали программное обеспечение NASA для анализа пористой микроструктуры на суперкомпьютере Национального энергетического исследовательского научного центра, чтобы провести более 1600 симуляций свойств материала.
«В симуляциях использовались наши развивающиеся трёхмерные изображения, которые предоставили нам информацию о свойствах материала в каждый момент времени, — сказал Рингел. — Мы также разработали новый метод расчёта свойств материала как функции времени и пространства. Впервые мы можем увидеть, как свойства изменяются по всему материалу теплозащитного экрана в различных режимах диффузии и реакции».
Информация, полученная в результате этого исследования диффузии и реакции, имеет неоценимое значение для развития современных моделей абляции, повышения эффективности теплозащиты и адаптации материалов к конкретным условиям эксплуатации.
«Наши данные предоставляют ценные измерения, которые помогут другим исследователям в области теплозащиты проверить и улучшить свои модели абляции, которые затем применяются к летательным аппаратам», — сказал Рингел.
«Благодаря более глубокому пониманию того, как конкуренция между диффузией и реакцией влияет на деградацию теплозащитного экрана во время полёта, открывается мир инновационных инженерных решений. Эти знания способствуют разработке передовых подходов к производству, таких как 3D-печатные теплозащитные экраны с точно спроектированными внутренними структурами, предназначенными для соответствия конкретным условиям гиперзвукового входа в атмосферу».
Исследование «Окисление углеродного волокна в 4D» опубликовано на обложке журнала Advanced Materials.
Предоставлено Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне.