อีกด้านหนึ่งที่ท้าทายยิ่งขึ้นของการสำรวจอวกาศและการออกแบบยานอวกาศคือการวางแผนสำหรับการกลับเข้ามาใหม่ แม้ในกรณีของดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศบางอย่างเช่นดาวอังคารการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นั้นเป็นที่ทราบกันดีว่าทำให้เกิดความร้อนและแรงเสียดทาน ด้วยเหตุนี้ยานอวกาศจึงติดตั้งแผงป้องกันความร้อนเพื่อดูดซับพลังงานนี้อยู่เสมอและตรวจสอบให้แน่ใจว่ายานอวกาศจะไม่เกิดความผิดพลาดหรือเกิดการเผาไหม้ในระหว่างการเข้า - ออก
น่าเสียดายที่ยานอวกาศในปัจจุบันต้องพึ่งพาเกราะป้องกันที่ทำให้พองหรือใหญ่ซึ่งมักจะหนักและซับซ้อนในการใช้งาน เพื่อกล่าวถึงเรื่องนี้นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้พัฒนาต้นแบบสำหรับแผงป้องกันความร้อนซึ่งจะต้องอาศัยกองกำลังแบบแรงเหวี่ยงเพื่อทำให้วัสดุที่ยืดหยุ่นและมีน้ำหนักเบามีความยืดหยุ่น ต้นแบบนี้เป็นรุ่นแรกที่สามารถลดต้นทุนการเดินทางในอวกาศและอำนวยความสะดวกในการปฏิบัติภารกิจในอนาคตต่อดาวอังคาร
แนวคิดนี้นำเสนอโดย Rui Wu นักศึกษาปริญญาเอกจากโรงเรียนวิศวกรรมเครื่องกลการบินและอวกาศ (MACE) ของแมนเชสเตอร์ เขาเข้าร่วมโดย Peter C.E. Roberts และ Carl Driver - อาจารย์อาวุโสด้านวิศวกรรมยานอวกาศและอาจารย์ที่ MACE ตามลำดับ - และ Constantinos Soutis จากสถาบันวิจัยการบินและอวกาศมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์
เพื่อให้เข้าใจง่ายดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศอนุญาตให้ยานอวกาศใช้การลากอากาศพลศาสตร์เพื่อชะลอความเร็วในการเตรียมการลงจอด กระบวนการนี้สร้างความร้อนจำนวนมหาศาล ในกรณีของชั้นบรรยากาศของโลกมีอุณหภูมิ 10,000 ° C (18,000 ° F) และอากาศรอบ ๆ ยานสามารถกลายเป็นพลาสมา ด้วยเหตุนี้ยานอวกาศจึงต้องใช้แผ่นป้องกันความร้อนที่ติดตั้งอยู่ด้านหน้าซึ่งสามารถทนต่อความร้อนสูงและเป็นรูปทรงแอโรไดนามิก
เมื่อปรับใช้กับดาวอังคารสถานการณ์จะแตกต่างกันบ้าง แต่ความท้าทายยังคงเหมือนเดิม ในขณะที่บรรยากาศของดาวอังคารนั้นน้อยกว่า 1% ของโลก - โดยมีแรงดันพื้นผิวเฉลี่ยอยู่ที่ 0.636 kPa เทียบกับ 101.325 kPa ของโลก - ยานอวกาศยังคงต้องใช้แผ่นป้องกันความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนจัดและการบรรทุกหนัก การออกแบบของ Wu อาจแก้ไขปัญหาทั้งสองนี้ได้
การออกแบบต้นแบบของซึ่งประกอบด้วยโล่รูปกระโปรงออกแบบมาเพื่อหมุนพยายามสร้างแผ่นป้องกันความร้อนที่สามารถตอบสนองความต้องการของภารกิจอวกาศในปัจจุบันและอนาคต ตามที่วูอธิบาย:
“ ยานอวกาศสำหรับภารกิจในอนาคตจะต้องใหญ่กว่าและหนักกว่าที่เคยมีมานั่นหมายความว่าเกราะป้องกันความร้อนจะมีขนาดใหญ่เกินกว่าที่จะจัดการได้ ... ยานอวกาศสำหรับภารกิจในอนาคตจะต้องใหญ่กว่าและหนักกว่าที่เคยเป็นมา .”
วูและเพื่อนร่วมงานของเขาอธิบายแนวคิดของพวกเขาในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ที่ปรากฏในวารสารArca Astronautica (หัวข้อ“ แผ่นป้องกันความร้อนที่มีความยืดหยุ่นถูกปรับใช้โดยแรงเหวี่ยง”) การออกแบบประกอบด้วยวัสดุขั้นสูงที่มีความยืดหยุ่นที่มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและช่วยให้ง่ายต่อการพับและการจัดเก็บบนยานอวกาศ วัสดุแข็งเมื่อโล่มีการใช้แรงเหวี่ยงซึ่งสามารถทำได้โดยการหมุนเมื่อเข้า
จนถึงตอนนี้วูและทีมของเขาได้ทำการทดสอบการตกกระแทกกับต้นแบบจากระดับความสูง 100 ม. (328 ฟุต) โดยใช้บอลลูน (วิดีโอซึ่งมีการโพสต์ด้านล่าง) พวกเขายังทำการวิเคราะห์เชิงพลวัตเชิงโครงสร้างที่ยืนยันว่าแผงป้องกันความร้อนสามารถมีส่วนร่วมในอัตราการหมุนที่เพียงพอโดยอัตโนมัติ (6 รอบต่อวินาที) เมื่อปรับใช้จากระดับความสูงที่สูงกว่า 30 กม. (18.64 ไมล์) ซึ่งตรงกับสตราโตสเฟียร์ของโลก
ทีมยังทำการวิเคราะห์เชิงความร้อนที่ระบุว่าแผงป้องกันความร้อนสามารถลดอุณหภูมิด้านหน้าได้ 100 K (100 ° C; 212 ° F) บนยานพาหนะขนาด CubeSat โดยไม่ต้องใช้ฉนวนกันความร้อนรอบ ๆ ตัวมันเอง ) การออกแบบยังควบคุมตนเองได้ซึ่งหมายความว่ามันไม่ได้พึ่งพาเครื่องจักรเพิ่มเติมลดน้ำหนักของยานอวกาศให้ดียิ่งขึ้นไปอีก
ต้นแบบไม่เหมือนแบบดั้งเดิมที่สามารถปรับขนาดได้เพื่อใช้กับยานอวกาศขนาดเล็กเช่น CubeSats ด้วยการติดตั้งเกราะป้องกันนั้น CubeSats จะสามารถกู้คืนได้หลังจากที่พวกเขากลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก ทั้งหมดนี้สอดคล้องกับความพยายามในปัจจุบันในการสำรวจอวกาศและการวิจัยที่คุ้มค่าในส่วนที่ผ่านการพัฒนาชิ้นส่วนที่นำกลับมาใช้ซ้ำและเรียกคืนได้ ตามที่วูอธิบาย:
“ มีการวิจัยในอวกาศมากขึ้นเรื่อย ๆ แต่มักจะมีราคาแพงมากและอุปกรณ์ต้องแชร์การขี่กับยานพาหนะคันอื่น เนื่องจากต้นแบบนี้มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นเพียงพอสำหรับใช้กับดาวเทียมขนาดเล็กการวิจัยจึงสามารถทำได้ง่ายขึ้นและราคาถูกลง แผงป้องกันความร้อนยังช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในภารกิจการกู้คืนเนื่องจากการลากที่เหนี่ยวนำสูงจะช่วยลดปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาผลาญเมื่อเข้าสู่กระบวนการอีกครั้ง”
เมื่อถึงเวลาที่ยานอวกาศที่หนักกว่าจะนำไปใช้กับดาวอังคารซึ่งน่าจะเกี่ยวข้องกับภารกิจของลูกเรือมันเป็นไปได้อย่างสิ้นเชิงว่าแผ่นป้องกันความร้อนที่ทำให้มั่นใจได้ว่าพวกมันจะปลอดภัยบนพื้นผิวนั้นประกอบด้วยวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่น ในขณะเดียวกันการออกแบบนี้สามารถเปิดใช้งานระบบน้ำหนักเบาและกะทัดรัดสำหรับยานอวกาศขนาดเล็กทำให้การวิจัย CubeSat มีราคาไม่แพงมาก
นั่นคือธรรมชาติของการสำรวจอวกาศสมัยใหม่ซึ่งทั้งหมดเกี่ยวกับการลดต้นทุนและทำให้พื้นที่เข้าถึงได้มากขึ้น และอย่าลืมตรวจสอบวิดีโอนี้จากการทดสอบการตกของทีมด้วยความอนุเคราะห์จาก Rui Wui และทีม MACE:
