Использование интеллектуальных материалов в космических исследованиях постоянно расширяется. Они применяются для всего: от развёртывания антенн на спутниках до деформации и переформирования марсоходов.
Одной из последних идей стало использование их для трансформации солнечных парусов, которые изначально могут использоваться в качестве системы движения для миссии, в теплозащитный экран, когда миссия достигнет конечной цели.
В новой статье Джозефа Иварсона и Давиде Гузетти, сотрудников кафедры аэрокосмической инженерии Обернского университета, описывается, как эта идея может работать, и перечисляются некоторые потенциальные применения для исследования различных частей Солнечной системы.
Концепция, которую они называют Shape Shifting Sailer (3S), проста: нужен тонкий лист материала, который действует как солнечный парус на протяжении большей части пути аппарата к месту назначения. По прибытии туда нужно изменить ориентацию листа, чтобы он мог действовать как теплозащитный экран и устройство для создания сопротивления при входе зонда в атмосферу целевой планеты или аэродинамическом торможении на её орбите.
Это переключение может быть таким же простым, как набор шарниров из сплава с памятью формы (SMA), которые сворачивают обычно плоский солнечный парус в форму конуса или щита, чтобы помочь создать сопротивление, которое замедлит зонд, а также для отклонения части тепла, действуя как — хотя и не полностью эффективный — теплозащитный экран.
Перед тем как попытаться создать такую систему, инженеры сделали то, что сделали бы все хорошие инженеры — смоделировали систему. В этом случае они разделили свою работу по моделированию на два этапа: исследование пространства проектирования и технико-экономическое обоснование.
На инженерном языке пространство проектирования — это попытка учесть все различные факторы, которые могут повлиять на заданный показатель, такой как вес или пиковая температура, которую может испытать зонд при входе в атмосферу Марса. Изменяя эти факторы в моделировании, инженеры могут понять, какие наиболее важные проектные решения им придётся принять, особенно в отношении компромиссов, таких как снижение веса паруса или увеличение его термозащитного эффекта.
В своей статье авторы рассмотрели конкретные примеры для пяти потенциальных целевых планет — Земли, Марса, Титана, Урана и Нептуна. Затем они обратились к полуавтономному алгоритму, известному как генетический алгоритм, который оптимизировал компромисс между пиковой температурой паруса и его пиковым давлением. Они обнаружили, что эти два показателя противоположны, поскольку физические формы, минимизирующие один из этих двух показателей, имеют тенденцию максимизировать другой.
Чтобы минимизировать давление, лучше всего иметь форму листа — большая площадь поверхности, но очень лёгкий вес, тогда как для минимизации температуры лучше всего иметь форму пушечного ядра — очень маленькую, толстую и плотную, что обычно подразумевает высокую тепловую инерцию, то есть сколько общего тепла может поглотить материал.
На следующем этапе своего исследования они рассмотрели потенциальные траектории полёта в атмосферу и на орбиту вокруг различных планет, изученных в исследовании. Вокруг Земли они обнаружили, что материал может хотя бы частично помочь с общей тепловой нагрузкой, снижая пиковую скорость нагрева на 20–25%, но только если парус будет сброшен во время входа в атмосферу. Марс оказался лучшим сценарием для использования идеи 3S, поскольку показал — опять же, в сценарии сброса — что нагрев входящего зонда может быть снижен на целых 40%.
К сожалению, результаты были не такими хорошими для Титана, Урана и Нептуна. На газовых гигантах использование системы оказалось невозможным, поскольку скорости входа в атмосферу, необходимые для аэродинамического торможения, были слишком высоки и сожгли бы любой возможный материал, который можно было бы изготовить в ближайшем будущем. На Титане система 3S была бы осуществима, но потребовала бы примерно столько же массы в парусе, сколько было бы в полезной нагрузке, чтобы быть эффективной. Учитывая, что доставка массы на Титан сама по себе дорогостояща, маловероятно, что эта идея будет реализована.
Но даже если идея применима только для исследования Марса, это станет центром внимания многих будущих миссий, поскольку NASA продолжает свой путь от Луны к Марсу. Учитывая многообещающие результаты моделирования, показанные в статье, возможно, стоит потратить деньги на разработку прототипа системы 3S, чтобы увидеть, есть ли какие-либо проблемы в плане. Но, учитывая текущее состояние финансирования космических исследований, это, возможно, придётся отложить на некоторое время.