Một trong những khía cạnh thách thức hơn của thám hiểm không gian và thiết kế tàu vũ trụ là lên kế hoạch tái nhập cảnh. Ngay cả trong trường hợp các hành tinh có khí quyển mỏng như Sao Hỏa, đi vào bầu khí quyển hành tinh khí quyển được biết là gây ra rất nhiều nhiệt và ma sát. Vì lý do này, tàu vũ trụ luôn được trang bị tấm chắn nhiệt để hấp thụ năng lượng này và đảm bảo rằng tàu vũ trụ không bị rơi hoặc cháy trong quá trình tái nhập.
Thật không may, tàu vũ trụ hiện tại phải dựa vào các lá chắn khổng lồ được bơm hơi hoặc triển khai cơ học, thường nặng và phức tạp để sử dụng. Để giải quyết vấn đề này, một sinh viên tiến sĩ từ Đại học Manchester đã phát triển một nguyên mẫu cho một tấm chắn nhiệt dựa vào lực ly tâm để làm cứng các vật liệu linh hoạt, nhẹ. Nguyên mẫu này, là mẫu đầu tiên của loại này, có thể giảm chi phí du hành không gian và tạo điều kiện cho các sứ mệnh trong tương lai tới Sao Hỏa.
Khái niệm này được đề xuất bởi Rui Wu, một sinh viên tiến sĩ từ Trường Cơ khí, Hàng không vũ trụ và Kỹ thuật Xây dựng (MACE). Ông được tham gia bởi Peter C.E. Roberts và Carl Driver - Giảng viên cao cấp về Kỹ thuật tàu vũ trụ và Giảng viên tại MACE, tương ứng - và Constantinos Soutis của Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ của Đại học Manchester.
Nói một cách đơn giản, các hành tinh có khí quyển cho phép tàu vũ trụ sử dụng lực cản khí động học để làm chậm để chuẩn bị hạ cánh. Quá trình này tạo ra một lượng nhiệt cực lớn. Trong trường hợp bầu khí quyển Trái đất, nhiệt độ 10.000 ° C (18.000 ° F) được tạo ra và không khí xung quanh tàu vũ trụ có thể biến thành plasma. Vì lý do này, tàu vũ trụ yêu cầu một lá chắn nhiệt gắn phía trước có thể chịu được nhiệt độ cực cao và có hình dạng khí động học.
Khi triển khai lên Sao Hỏa, hoàn cảnh có phần khác nhau, nhưng thách thức vẫn như cũ. Trong khi bầu khí quyển sao Hỏa nhỏ hơn 1% so với Trái đất - với áp suất bề mặt trung bình là 0,636 kPa so với Trái đất 101.325 kPa - tàu vũ trụ vẫn cần lá chắn nhiệt để tránh bị đốt cháy và mang vác nặng. Wu Thiết kế có khả năng giải quyết cả hai vấn đề này.
Thiết kế nguyên mẫu, bao gồm một chiếc khiên hình váy được thiết kế để quay, tìm cách tạo ra một tấm khiên nhiệt có thể đáp ứng nhu cầu của các sứ mệnh không gian hiện tại và tương lai. Như Wu đã giải thích:
Tàu vũ trụ đối với các nhiệm vụ trong tương lai phải lớn hơn và nặng hơn bao giờ hết, có nghĩa là các lá chắn nhiệt sẽ ngày càng quá lớn để quản lý Tàu vũ trụ cho các nhiệm vụ trong tương lai phải lớn hơn và nặng hơn bao giờ hết, có nghĩa là các lá chắn nhiệt sẽ ngày càng quá lớn để quản lý .
Wu và các đồng nghiệp đã mô tả khái niệm của họ trong một nghiên cứu gần đây xuất hiện trên tạp chíPhi hành gia Arca (có tiêu đề Tấm chắn nhiệt linh hoạt do lực ly tâm triển khai). Thiết kế bao gồm một vật liệu tiên tiến, linh hoạt, có khả năng chịu nhiệt độ cao và cho phép dễ dàng gấp và lưu trữ trên tàu vũ trụ. Vật liệu trở nên cứng nhắc khi tấm chắn áp dụng lực ly tâm, được thực hiện bằng cách quay khi vào.
Cho đến nay, Wu và nhóm của ông đã tiến hành thử nghiệm thả rơi với nguyên mẫu từ độ cao 100 m (328 ft) bằng khinh khí cầu (video được đăng dưới đây). Họ cũng đã tiến hành phân tích động lực cấu trúc xác nhận rằng tấm chắn nhiệt có khả năng tự động tham gia vào tốc độ quay đủ (6 vòng quay mỗi giây) khi được triển khai từ độ cao hơn 30 km (18,64 mi) - trùng với tầng bình lưu Trái đất.
Nhóm nghiên cứu cũng tiến hành phân tích nhiệt chỉ ra rằng tấm chắn nhiệt có thể giảm nhiệt độ đầu trước 100 K (100 ° C; 212 ° F) trên một chiếc xe có kích thước CubeSat mà không cần cách nhiệt xung quanh tấm khiên (không giống như các cấu trúc bơm hơi ). Thiết kế cũng tự điều chỉnh, có nghĩa là nó không phụ thuộc vào máy móc bổ sung, làm giảm trọng lượng của tàu vũ trụ hơn nữa.
Và không giống như các thiết kế thông thường, nguyên mẫu của chúng có thể mở rộng để sử dụng các tàu vũ trụ nhỏ hơn như CubeSats. Bằng cách được trang bị một tấm khiên như vậy, CubeSats có thể được phục hồi sau khi chúng quay trở lại bầu khí quyển Trái đất, có thể tái sử dụng một cách hiệu quả. Đây là tất cả phù hợp với những nỗ lực hiện tại để làm cho việc thăm dò không gian và nghiên cứu có hiệu quả về chi phí, một phần thông qua việc phát triển các bộ phận có thể tái sử dụng và có thể phục hồi. Như Wu đã giải thích:
Nhiều ngày càng có nhiều nghiên cứu được tiến hành trong không gian, nhưng điều này thường rất tốn kém và thiết bị phải chia sẻ một chuyến đi với các phương tiện khác. Vì nguyên mẫu này nhẹ và đủ linh hoạt để sử dụng trên các vệ tinh nhỏ hơn, nghiên cứu có thể được thực hiện dễ dàng hơn và rẻ hơn. Tấm chắn nhiệt cũng sẽ giúp tiết kiệm chi phí trong các nhiệm vụ phục hồi, vì lực cản cao gây ra của nó làm giảm lượng nhiên liệu bị đốt cháy khi tái nhập.
Khi đến lúc tàu vũ trụ nặng hơn được triển khai lên Sao Hỏa, có khả năng sẽ liên quan đến các nhiệm vụ phi hành đoàn, hoàn toàn có khả năng các lá chắn nhiệt đảm bảo chúng an toàn trên bề mặt được cấu tạo từ các vật liệu nhẹ, linh hoạt, quay tròn để trở nên cứng nhắc. Trong khi đó, thiết kế này có thể cho phép các hệ thống nhập nhẹ và nhỏ gọn cho tàu vũ trụ nhỏ hơn, khiến cho nghiên cứu của CubeSat có giá cả phải chăng hơn nhiều.
Đó là bản chất của khám phá không gian hiện đại, đó là tất cả về việc cắt giảm chi phí và làm cho không gian dễ tiếp cận hơn. Và hãy chắc chắn kiểm tra video này từ bài kiểm tra thả đội, cũng như lịch sự của Rui Wui và nhóm MACE:
