Aeroshell - Aeroshell

Viking 1 aeroshell

Um aeroshell é uma cápsula blindada de calor rígida que ajuda a desacelerar e protege um veículo espacial da pressão, calor e possíveis detritos criados pelo arrasto durante a entrada atmosférica (consulte a teoria do corpo sem corte ). Seus principais componentes consistem em um escudo térmico (o corpo anterior) e uma concha posterior. O escudo térmico absorve o calor causado pela compressão do ar na frente da espaçonave durante sua entrada na atmosfera. O casco traseiro carrega a carga que está sendo entregue, junto com componentes importantes, como um pára - quedas , motores de foguete e eletrônicos de monitoramento, como uma unidade de medição inercial que monitora a orientação do casco durante a descida do pára-quedas.

Seu propósito é usado durante o EDL, ou entrada, descida e pouso , processo da missão de uma nave espacial. Primeiro, o aeroshell desacelera a espaçonave conforme ela penetra na atmosfera do planeta. O escudo térmico absorve o atrito resultante. Durante a descida, o pára-quedas é lançado e o escudo térmico é destacado. Foguetes localizados no casco traseiro são iniciados para auxiliar na diminuição da descida da espaçonave. Os airbags também são inflados para amortecer o impacto. A espaçonave salta na superfície do planeta diretamente após o primeiro impacto. As pétalas do módulo de pouso da espaçonave são acionadas depois que os airbags são esvaziados e retraídos. A comunicação em todo o processo é retransmitida de um lado para outro do controle da missão e da espaçonave real por meio de antenas de baixo ganho que são conectadas ao casco traseiro e a si mesmo. Ao longo dos estágios de entrada, descida e aterrissagem, tons são enviados de volta à Terra para comunicar o sucesso ou o fracasso de cada uma dessas etapas críticas.

Aeroshells são um componente chave das sondas espaciais que devem pousar intactas na superfície de qualquer objeto com uma atmosfera . Eles foram usados ​​em todas as missões de retorno de cargas úteis à Terra (se considerarmos o sistema de proteção térmica do Ônibus Espacial como um aeroshell). Eles também são usados ​​para todas as missões de pouso em Marte, Vênus, Titã e (no caso mais extremo) a sonda Galileu em Júpiter.

Componentes

O aeroshell consiste em dois componentes principais: o escudo térmico , ou forebody, que está localizado na frente do aeroshell, e a concha traseira, que está localizada na parte de trás do aeroshell. O escudo térmico do aeroshell está voltado para a direção do aríete (para frente) durante a entrada atmosférica de uma espaçonave, permitindo que ela absorva o alto calor causado pela compressão do ar na frente da nave. O backshell atua como um finalizador para o encapsulamento da carga útil. O backshell normalmente contém um pára - quedas , dispositivos pirotécnicos junto com seus eletrônicos e baterias, uma unidade de medição inercial e outro hardware necessário para a entrada, descida e sequência de pouso da missão específica. O paraquedas está localizado no ápice da concha traseira e retarda a nave durante o EDL. O sistema de controle pirotécnico libera dispositivos como porcas, foguetes e argamassa paraquedas. A unidade de medida inercial informa a orientação da concha das costas enquanto ela balança sob o pára-quedas. Retrorockets, se equipados, podem auxiliar na descida terminal e pouso do veículo espacial; alternativa ou adicionalmente, um módulo de pouso pode ter retrocavidades montadas em seu próprio corpo para a descida terminal e uso de pouso (após o backshell ter sido alijado). Outros foguetes podem ser equipados para fornecer força horizontal ao casco traseiro, ajudando a orientá-lo para uma posição mais vertical durante a queima do retrorocket principal.

Fatores de design

O objetivo da missão de uma espaçonave determina quais requisitos de vôo são necessários para garantir o sucesso da missão. Esses requisitos de voo são desaceleração , aquecimento e precisão de impacto e pouso. Uma espaçonave deve ter um valor máximo de desaceleração baixo o suficiente para manter os pontos mais fracos de seu veículo intactos, mas alto o suficiente para penetrar na atmosfera sem se recuperar. A estrutura da espaçonave e a massa da carga útil afetam a quantidade de desaceleração máxima que ela pode suportar. Esta força é representada por "g's", ou aceleração gravitacional da Terra . Se sua estrutura for bem projetada e feita de material robusto (como o aço), ela pode suportar uma quantidade maior de gs. No entanto, a carga útil precisa ser considerada. Só porque a estrutura da espaçonave pode suportar altos gs não significa que sua carga útil possa. Por exemplo, uma carga útil de astronautas pode suportar apenas 12 g, ou 12 vezes seu peso. Valores superiores a essa linha de base causarão a morte. Ele também deve ser capaz de suportar altas temperaturas causadas pelo imenso atrito resultante da entrada na atmosfera em velocidade hipersônica. Finalmente, ele deve ser capaz de penetrar na atmosfera e pousar em um terreno com precisão, sem errar o alvo. Uma área de pouso mais restrita exige uma precisão mais estrita. Nesses casos, uma espaçonave será mais aerodinâmica e possuirá um ângulo de trajetória de reentrada mais íngreme. Esses fatores se combinam para afetar o corredor de reentrada, a área na qual uma espaçonave deve viajar para evitar queimar ou ricochetear para fora da atmosfera. Todos os requisitos acima são atendidos por meio da consideração, projeto e ajuste da estrutura e trajetória de uma espaçonave.

A dinâmica geral do aeroshell é influenciada por forças inerciais e de arrasto, conforme definido nesta equação: ß = m / CdA onde m é definido como a massa do aeroshell e suas respectivas cargas e CdA é definido como a quantidade de força de arrasto de um aeroshell pode gerar durante uma condição de fluxo livre. No geral, β é definido como a massa dividida pela força de arrasto (mas por unidade de área de arrasto). Uma massa maior por unidade de área de arrasto faz com que a entrada, descida e pouso do aeroshell aconteça em pontos baixos e densos da atmosfera e também reduz a capacidade de elevação e a margem do cronograma para o pouso. Os fatores que aumentam durante o EDL incluem a carga e a taxa de calor, o que faz com que o sistema se acomode forçosamente ao aumento das cargas térmicas. Esta situação reduz a capacidade de massa útil pousada de entrada, descida e pouso porque um aumento na carga térmica leva a uma estrutura de suporte mais pesada e sistema de proteção térmica (TPS) do aeroshell. A estabilidade estática também deve ser levada em consideração, pois é necessário manter uma altitude de alto arrasto. É por isso que um forebody aeroshell varrido em oposição a um contundente é necessário; a forma anterior garante a existência desse fator, mas também reduz a área de arrasto. Portanto, há uma compensação resultante entre o arrasto e a estabilidade que afeta o design da forma de um aeroshell. A proporção de sustentação para arrasto também é outro fator que precisa ser considerado. O nível ideal para uma razão de levantamento para arrasto é diferente de zero.

Programa de pára-quedas de entrada planetária

USAF Aeroshell "Flying Saucer" em exibição pública no Missile Park em White Sands Missile Range .

O Aeroshell do Programa de Entrada de Pára-quedas Planetário (PEPP) da NASA, testado em 1966, foi criado para testar pára-quedas para o programa de pouso da Voyager Mars. Para simular a fina atmosfera marciana, o paraquedas precisava ser usado a uma altitude de mais de 160.000 pés (49.000 m) acima da Terra. Um balão lançado de Roswell, Novo México, foi usado para levantar o aeroshell inicialmente. O balão então derivou para o oeste para White Sands Missile Range , onde o veículo foi lançado e os motores abaixo do veículo o impulsionaram para a altitude necessária , onde o paraquedas foi lançado.

O programa Voyager foi posteriormente cancelado, substituído pelo programa Viking, muito menor , vários anos depois. A NASA reutilizou o nome Voyager para as sondas Voyager 1 e Voyager 2 para planetas exteriores, o que não tinha nada a ver com o programa Mars Voyager .

Desacelerador supersônico de baixa densidade

O desacelerador supersônico de baixa densidade ou LDSD é um veículo espacial projetado para criar resistência atmosférica a fim de desacelerar durante a entrada na atmosfera de um planeta. É essencialmente um veículo em forma de disco contendo um balão inflável em forma de donut em torno do lado externo. O uso desse tipo de sistema pode permitir um aumento na carga útil.

Destina-se a ser usado para ajudar uma espaçonave a desacelerar antes de pousar em Marte . Isso é feito inflando o balão ao redor do veículo para aumentar a área da superfície e criar arrasto atmosférico . Depois de desaceleração suficiente, um pára-quedas em uma corda longa é aberto para diminuir ainda mais a velocidade do veículo.

O veículo está sendo desenvolvido e testado pelo Jet Propulsion Laboratory da NASA . Mark Adler é o gerente de projeto.

Junho de 2014 teste de voo

Vídeo do voo de teste de 2014

O vôo de teste ocorreu em 28 de junho de 2014, com o lançamento do veículo de teste do Pacific Missile Range Facility da Marinha dos Estados Unidos em Kaua'i , Havaí, às 18:45 UTC (08:45 local). Um balão de hélio de alta altitude, que quando totalmente inflado tem um volume de 1.120.000 metros cúbicos (39.570.000 pés cúbicos), elevou o veículo a cerca de 37.000 metros (120.000 pés). O veículo foi retirado às 21h05 UTC (11h05 local), e quatro pequenos motores de foguete de combustível sólido giraram o veículo para fornecer estabilidade.

Meio segundo após a rotação, o motor de combustível sólido Star 48B do veículo pegou fogo, levando o veículo a Mach 4 e a uma altitude de aproximadamente 55.000 metros (180.000 pés). Imediatamente após o esgotamento do foguete, mais quatro motores de foguete dispararam o veículo. Após desacelerar para Mach 3.8, o desacelerador aerodinâmico supersônico inflável em forma de tubo de 6 metros (20 pés) (configuração SIAD-R) foi implantado. O SIAD tem como objetivo aumentar o arrasto atmosférico sobre o veículo, aumentando a área de superfície de seu lado dianteiro, aumentando assim a taxa de desaceleração.

Ao desacelerar para Mach 2.5 (cerca de 107 segundos após a implantação do SIAD), o paraquedas Supersonic Disk Sail (SSDS) foi acionado para diminuir ainda mais a velocidade do veículo. Este paraquedas mede 33,5 metros (110 pés) de diâmetro, quase duas vezes maior que o usado para a missão do Laboratório de Ciências da Mars . No entanto, ele começou a se fragmentar após a implantação, e o veículo impactou o Oceano Pacífico às 21:35 UTC (11:35 local) viajando de 32 a 48 quilômetros por hora (20 a 30 mph). Todos os gravadores de hardware e dados foram recuperados. Apesar do incidente com o pára-quedas, a missão foi declarada um sucesso; o objetivo principal era provar a capacidade de voo do veículo de teste, enquanto SIAD e SSDS eram experimentos secundários.

Voos de teste de 2015

Mais dois voos de teste do LDSD ocorrerão em meados de 2015 no Pacific Missile Range Facility. Eles se concentrarão nas tecnologias SIAD-E e SSDS de 8 metros (26 pés), incorporando as lições aprendidas durante o teste de 2014. As mudanças planejadas para o paraquedas incluem formato arredondado e reforço estrutural. Logo após a reentrada, o paraquedas foi arrancado.

Galeria

Referências

"Para Conservação de Combustível no Espaço, Engenheiros da NASA Prescrevem Aerocaptura" . NASA . 17-08-2006 . Página visitada em 2007-02-17 .