Инженеры получили более детальный способ смотреть внутрь теплозащитных материалов, которые защищают корабль при входе в атмосферу. В работе Berkeley Lab, Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и NASA образцы абляционной теплозащиты наблюдали прямо во время нагрева, а не только до и после испытания.
При возвращении аппарат летит через атмосферу на гиперзвуковой скорости. Наружные слои теплозащитного щита разрушаются управляемо и уносят тепло, пока конструкция и экипаж остаются защищенными. Температуры при таком режиме могут превышать 3000 градусов по Фаренгейту, около 1650 градусов Цельсия, поэтому для расчетов важно знать, как материал меняется внутри.
На установке Advanced Light Source в Lawrence Berkeley National Laboratory команда использовала рентгеновскую микрокомпьютерную томографию in situ. Экспериментальная камера позволяла независимо менять температуру, давление и состав газа, чтобы приблизить условия к реальному входу в атмосферу. Образцы нагревали до 1652 градусов по Фаренгейту, около 900 градусов Цельсия, и снимали их структуру в разные моменты времени.
Исследователи изучали два коммерческих сверхлегких аблятора, SLA-220 и SLA-561V. Такие материалы применяются в задних теплозащитных частях космических аппаратов. Съемка показала, что они деградируют по-разному: в SLA-561V пробковый наполнитель при нагреве разлагается и оставляет отдельные пустоты, а в SLA-220 силиконовая матрица формирует плотную сеть связанных каналов.
Эта разница важна для расчетов. Изолированные поры и связанная сеть каналов по-разному пропускают тепло и газы через материал. Значит, два внешне похожих теплозащитных элемента могут вести себя по-разному в реальном полете.
Чтобы не терять детали, команда совместила быстрые объемные снимки с более четкими кадрами до и после нагрева. Затем метод на базе генеративных состязательных сетей повысил разрешение всей временной серии. Так получилась последовательность, где видно развитие микроструктуры, а не только итоговое состояние после испытания.
По словам участников работы, почти все основные абляционные материалы NASA уже изучались на Advanced Light Source. После миссии Artemis I агентство также анализировало теплозащиту, чтобы понять расхождения между реальным поведением и расчетными моделями.
Практический смысл исследования в снижении неопределенности. Более точные данные о микроструктуре помогут проверять модели абляции, выбирать материалы для будущих миссий и лучше планировать возвращение аппаратов с Луны, Марса и низкой околоземной орбиты.
