Σχεδιάζοντας μια ευέλικτη θερμική ασπίδα για διαστημόπλοια που χρησιμοποιεί φυγόκεντρη δύναμη
Τα διαστημικά σκάφη ταξιδεύουν με υψηλές ταχύτητες και πρέπει να «φρενάρουν» πριν προσγειωθούν σε έναν πλανήτη. Όταν ο πλανήτης έχει ατμόσφαιρα, η αεροδυναμική έλξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διασκορπίσει την κινητική ενέργεια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ατμοσφαιρική είσοδος, η οποία απαιτεί αεροδυναμικό επιβραδυντή/ασπίδα θερμότητας που δημιουργεί επαρκή οπισθέλκουσα, ανέχεται υψηλή θερμοκρασία και αποτρέπει την είσοδο υπερβολικής θερμότητας στο όχημα.
Με το διαστημόπλοιο να γίνεται όλο και πιο βαρύ για μελλοντικές διαστημικές αποστολές, όπως οι ανθρώπινες αποστολές στον Άρη, το απαιτούμενο μέγεθος θερμικής ασπίδας θα γίνει μεγαλύτερο από τη διάμετρο του μεγαλύτερου υπάρχοντος πυραύλου. Επομένως, απαιτείται μια αναπτυσσόμενη ασπίδα θερμότητας που μπορεί να αναπτυχθεί από μικρό όγκο, όπως ένα μπαλόνι ή μια ομπρέλα.
Ενώ η βιομηχανία, συμπεριλαμβανομένης της NASA και της ESA, εξερευνά φουσκωτές δομές που μοιάζουν με μπαλόνια και αναπτυσσόμενους μηχανισμούς που μοιάζουν με ομπρέλα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, πρότειναν πρόσφατα μια νέα προσέγγιση, η οποία χρησιμοποιεί μια εύκαμπτη θερμική ασπίδα σε σχήμα σπειροειδούς φούστας. Περιστρέφεται σαν σπόρος πλάτανου κατά τη διάρκεια της πτήσης, αναπτύσσεται υπό φυγόκεντρο δύναμη και ρυθμίζει τη δική του ανάπτυξη. Η μοναδική αρχή λειτουργίας του επιτρέπει να είναι ελαφρύ, συνοπτικό και στιβαρό. Αυτός ο σχεδιασμός όχι μόνο ανταποκρίνεται στη ζήτηση για βαριά προσεδάφια του Άρη, αλλά μπορεί επίσης να επιτρέψει νέες εφαρμογές όπως ανακτήσιμα CubeSats για επιστημονικά πειράματα χαμηλού κόστους σε τροχιά, σμήνος νανο-ανιχνευτών για πλανητικές εξερευνήσεις και υπερηχητικούς επιβραδυντές για ανακτήσιμο ανώτερο στάδιο/εξαρτήματα πυραύλων .
Η φυγόκεντρη ανάπτυξη επιτρέπει μεγάλες αλλά ελαφριές δομές. Ξεκινώντας από την πρώτη αρχή, η ελαστική δύναμη χρησιμοποιείται συνήθως για την ανάπτυξη και τη στήριξη δομών (π.
Σύμφωνα με μια πολύ βασική ανάλυση που αναφέρεται στην εργασία, για να διατηρηθεί η φέρουσα ικανότητα, η μάζα μιας ελαστικά υποστηριζόμενης κατασκευής πρέπει να αυξηθεί εκθετικά όταν η κατασκευή κλιμακώνεται. Από την άλλη πλευρά, η μάζα μιας φυγοκεντρικά υποστηριζόμενης δομής τείνει να αυξάνεται με πιο αργό ρυθμό και επομένως θα μπορούσε να είναι μεγάλη και σχετικά ελαφριά ταυτόχρονα. Ένα παράδειγμα είναι ο ρότορας του ελικοπτέρου, ο οποίος εκτρέπεται ακόμη και υπό το βάρος του όταν είναι στατικός, αλλά υποστηρίζει ολόκληρο το αεροσκάφος όταν περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα.
Εκτός από τη φυγόκεντρη ανάπτυξη, η ενδιαφέρουσα πτυχή του προτεινόμενου σχεδιασμού είναι ότι επιτρέπει τον παθητικό έλεγχο κλειστού βρόχου του δομικού σχήματος. Η θερμική ασπίδα βασίζεται σε ένα εύκαμπτο ύφασμα ραμμένο κατά μήκος ενός σπειροειδούς σχεδίου origami, το οποίο παράγει μια αεροδυναμική ροπή κύλισης για την περιστροφή του οχήματος (autorotation). Έτσι, η φυγόκεντρος δύναμη αναπτύσσει και ισοπεδώνει την εύκαμπτη θωράκιση, και με την ισοπέδωση του σχήματος της ασπίδας, η περιστρεφόμενη κίνηση θα επιβραδυνθεί. Τέλος, θα φτάσει σε ισορροπία σε μια ορισμένη έκταση ανάπτυξης, ενώ αυτή η έκταση καθορίζεται από την αναλογία μεταξύ της ατμοσφαιρικής πυκνότητας και της πυκνότητας περιοχής της ασπίδας. Χάρη σε αυτήν την αρχή, η θερμική ασπίδα επιτυγχάνει φυσικά σχεδόν πλήρη ανάπτυξη σε μεγάλο ύψος (δηλαδή σε χαμηλή πυκνότητα αέρα), πράγμα που σημαίνει ότι διατηρείται ένα σταθερό αεροδυναμικό προφίλ και υψηλός συντελεστής οπισθέλκουσας καθ' όλη τη διάρκεια του κρίσιμου καθεστώτος πτήσης.
Αυτή η νέα σχεδιαστική προσέγγιση μπορεί να αποφέρει διάφορα οφέλη στα μελλοντικά συστήματα εισόδου. Η πλήρως παθητική αυτορυθμιζόμενη λειτουργία επιτρέπει στο σύστημα να είναι συνοπτικό και στιβαρό. Η χρήση της αδρανειακής δύναμης αντί της ελαστικής δύναμης επιτρέπει μεγάλα αλλά ελαφριά σχέδια. Δεδομένου ότι δεν απαιτείται ελαστική ακαμψία, η θωράκιση μπορεί να κατασκευαστεί από πολύ εύκαμπτα υλικά, όπως κεραμικά υφάσματα που μπορούν εύκολα να διπλωθούν για αποθήκευση, ενώ έχουν ανώτερη αναλογία αντοχής προς μάζα και ανοχή θερμοκρασίας. Δεδομένου ότι η αδρανειακή δύναμη μπορεί να δημιουργηθεί όσο η θερμική ασπίδα έχει μάζα, είναι λιγότερο ευαίσθητη στη μεταβολή της θερμοκρασίας και έχει λιγότερα προβλήματα θερμικής προστασίας.
Όλα αυτά τα ευρήματα μπορούν να γενικευθούν με μία πρόταση:Η αυτορυθμιζόμενη παθητική φυγόκεντρη ανάπτυξη μπορεί να επιτευχθεί όταν η περιστρεφόμενη κίνηση καθοδηγείται από μια περιβαλλοντική ροπή που συνδέεται με την κατάσταση ανάπτυξης . Η εφαρμογή του επομένως δεν περιορίζεται στα συστήματα εισόδου. Για παράδειγμα, οι ερευνητές δημοσίευσαν μια εργασία σχετικά με ένα μεταυλικό ηλιακό πανί με αυτορυθμιζόμενη ανάπτυξη, το οποίο επωφελείται από το ότι είναι ελαφρύ, συνοπτικό και στιβαρό. Είναι ενδιαφέρον ότι αυτά τα παθητικά αυτορυθμιζόμενα συστήματα είναι κατά κάποιο τρόπο παρόμοια με τον φυγόκεντρο ρυθμιστή που εφευρέθηκε από τον James Watt το 1788, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για τη σταθεροποίηση της ταχύτητας μιας ατμομηχανής χωρίς είσοδο ενεργού ελέγχου. Επιδεικνύοντας τη μέθοδο εφαρμογής αυτής της παλιάς αρχής στις θερμικές ασπίδες και τα ηλιακά πανιά, οι ερευνητές στο Μάντσεστερ ανοίγουν νέες δυνατότητες για μελλοντικές αναπτύξιμες διαστημικές δομές.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στα άρθρα με τίτλο Εύκαμπτη θερμική ασπίδα που αναπτύσσεται με φυγόκεντρο δύναμη και ηλιακό πανί Heliogyro με αυτορυθμιζόμενη φυγόκεντρη ανάπτυξη που ενεργοποιείται από ανακλαστήρα μορφοποίησης εμπνευσμένου από origami και ηλιακό πανί Heliogyro με αυτορυθμιζόμενη φυγόκεντρη ανάπτυξη επιτρέπεται από ανακλαστήρα μορφοποίησης εμπνευσμένο από origami, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Acta Astronautica.
Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Rui Wu, Peter C.E Roberts, Constantinos Soutis και Carl Diver από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ.
