Aeroespacial

¿Qué impide que las naves espaciales se quemen durante la reentrada?

¿Qué impide que las naves espaciales se quemen durante la reentrada?

Llevar a los astronautas al espacio desafía a los ingenieros con problemas difíciles sin precedentes. Aunque la nave espacial pudo haber sido probada durante el lanzamiento y la duración de la exposición espacial, aún debe soportar uno de los desafíos más exigentes de todos: la reentrada. Al final de una misión, las naves espaciales vuelven a entrar en la atmósfera de la Tierra mientras viajan por encima de30.000 kilómetros por hora. La tremenda velocidad del vehículo de reentrada comprime el aire de abajo en una bola de plasma caliente que rodea la nave. Llevar a los astronautas a casa de manera segura requerirá protegerlos del calor a medida que llegamiles de grados.

Los peligros de la reentrada

Los arqueólogos han entendido durante mucho tiempo que los asteroides se queman cuando caen a través de la atmósfera. El hecho infundió miedo a los científicos durante décadas mientras se preguntaban sobre la posibilidad de diseñar un vehículo lo suficientemente fuerte como para resistir el peligroso entorno que crea la reentrada.

Uno de los mayores desafíos impuestos a los ingenieros aeroespaciales es el desarrollo de un material de protección térmica que no se vea comprometido, incluso a temperaturas tan altas como 1.700 grados Celsius.

Se emplea una variedad de sistemas de protección térmica (TPS) para evitar que las naves espaciales se quemen de manera preventiva. El escudo térmico es la principal defensa de un vehículo de reentrada contra el intenso calor experimentado al caer a través de la atmósfera.

Ataques de desastres

Una de las lecciones aprendidas sobre el reingreso fue durante el vuelo fatal de Columbia el 1 de febrero de 2003. Durante el lanzamiento, un gran trozo de espuma del tamaño de un maletín se desprendió y causó algunos daños a un panel de protección térmica en el ala izquierda. La misión prosiguió como de costumbre hasta que ocurrió el desastre durante la reentrada. El plasma sobrecalentado penetró en el ala comprometida y rápidamente quemó su estructura. Desafortunadamente, el Columbia comenzó una caída incontrolable, provocando su desintegración. Siete astronautas perdieron la vida ese día.

Sin embargo, el desafortunado accidente obligaría a la NASA a rediseñar el transbordador espacial. Más de una década después, la NASA está implementando las lecciones aprendidas en su nueva nave,Orión.

Tecnologías anteriores

Las primeras naves espaciales tripuladas, incluidas Mercurio, Géminis y Apolo, no se pudieron maniobrar durante la reentrada. Las cápsulas espaciales habían seguido trayectorias de reentrada balística antes de caer al océano.

Grandes escudos térmicos construidos con resinas epoxi fenólicas en una matriz de nido de abeja de aleación de níquel protegían las cápsulas durante la reentrada. Los escudos podían soportar tasas de calentamiento increíblemente altas, una necesidad imperiosa entre los vehículos de reentrada.

Las misiones lunares de Apolo plantearon un gran obstáculo de ingeniería desde las cápsulas, ya que regresaron de la luna y entraron en la atmósfera a más de 40.000 km / h. El escudo térmico pudo eliminar o quemar la capa de carbón de manera controlada para proteger las capas subyacentes. Aunque el escudo térmico fue efectivo, hubo algunos inconvenientes críticos.

Los escudos eran pesados ​​y estaban unidos directamente al vehículo. Además, no eran reutilizables.

Quizás el sistema de protección térmica (TPS) más impresionante pertenece al del transbordador espacial orbitador. El programa del Transbordador Espacial requería un escudo térmico completamente rediseñado. Con una vida de diseño increíblemente larga de 100 misiones, su aislamiento no solo tenía que funcionar bien, sino que también debía ser reutilizable. Su éxito en ingeniería proporcionará las tecnologías innovadoras que se trasladarán a la próxima generación de programas espaciales.

El sistema de protección térmica del transbordador espacial

En el espacio, el Orbitador daría la vuelta al mundo cada 90 minutos. El tiempo del día a la noche vería fluctuaciones de temperatura de -130 grados Celsius a casi 100 grados Celsius, y mucho menos las temperaturas de reentrada.

Aunque existen muchos materiales que son lo suficientemente resistentes para resistir las fuerzas de reentrada, no muchos pueden resistir el calor. Durante la reentrada del Orbitador, sus superficies externas alcanzaron temperaturas extremas de hasta 1.648 ° C (3.000 ° F).

A pesar del calor extremo experimentado por el TPS, muchos sistemas trabajan juntos para mantener la piel exterior del Orbiter por debajo 176 ° C (350 ° F). Aunque los componentes externos pueden sobrevivir cientos de grados, la estructura de aluminio solo puede soportar temperaturas de hasta un máximo de 150 ° C. Las temperaturas mucho más allá del umbral harán que el marco se vuelva blando y comprometido como resultado. Los sistemas de protección térmica instalados garantizan que el fuselaje no supere el límite térmico.

Los materiales utilizados para mantener fresco el Orbiter

El primer orbitador operativo de la NASA, también conocido como Columbia, se construyó a partir de cuatro materiales primarios. Los materiales incluyen carbono-carbono reforzado (RCC), baldosas de aislamiento de superficie reutilizables de baja y alta temperatura (LRSI y HRSI, respectivamente) y mantas de aislamiento de superficie reutilizable de fieltro (FRSI).

Las diferentes partes de la aeronave experimentan diferentes temperaturas y, por lo tanto, requieren diferentes materiales. Las partes más expuestas al calor, incluida la nariz y la parte inferior del Orbiter, están fabricadas con los materiales más resistentes al calor. Los bordes de ataque requieren un revestimiento de carbono-carbono reforzado adicionalmente en la parte superior de las placas de aislamiento de alta temperatura.

Otras áreas, incluida la mayor parte del fuselaje, se cubrieron con avanzados materiales flexibles y reutilizables. mantas de aislamiento.

[Imagen cortesía de NASA]

Todos los componentes que entran en contacto con el exterior están cubiertos con revestimientos de alta emisividad para garantizar que el Shuttle refleje la mayor parte del calor térmico. Sin embargo, la diferencia de color también juega un papel vital.

Los mosaicos en blanco y negro, aunque son similares en composición, realizan diferentes tareas durante el reingreso. Las baldosas blancas en la superficie superior del material retienen una alta reflectividad térmica (una tendencia a absorber un calor mínimo). En cambio, las baldosas negras están optimizadas para una emisividad máxima, lo que les permite perder calor más rápido que las baldosas blancas.

Cómo trabajan ellos

Las baldosas que absorben gran parte de la fuerza bruta durante la reentrada están hechas de aerogeles de sílice. El material utilizado en la parte inferior del Orbiter (conocido como LI-900) es 94 por ciento por volumen de airehaciéndolo increíblemente ligero. Las baldosas están diseñadas específicamente para resistir el choque térmico. Un LI-900 puede calentarse a 1200 grados y luego sumergirse en agua fría sin sufrir daños. Sin embargo, la optimización de las baldosas con baja densidad y alta resistencia a los golpes conlleva un compromiso en su resistencia general.

Las áreas de alta tensión requieren un material más robusto; Las áreas de alta tensión requieren un material más robusto; un problema posteriormente resuelto por el material LI-2200. Las placas LI-2200 están modificadas para soportar más fuerza. Sin embargo, las fichas más fuertes también tienen sus inconvenientes. Una loseta LI-2200 pesa 22 libras por pie cúbico de densidad aparente en comparación con el LI-900 mucho más ligero con una densidad de apenas 9 libras por pie cúbico.

Reingreso a la atmósfera hoy

Aunque los astronautas no han visitado la luna por un tiempo, y aunque el programa del transbordador espacial ha sido abandonado desde entonces, los astronautas visitan habitualmente la ISS para realizar experimentos y reparaciones. Aunque las naves espaciales han cambiado, las tecnologías que las traen de regreso a casa mantienen los mismos principios.

Nave espacial Orion

La obra maestra actual de la NASA es su revolucionaria nave espacial Orion. La NASA promete que la nave espacial llevará a los humanos más lejos que nunca, incluido Marte. Aunque, la nueva nave espacial requirió una revisión total de sus sistemas de reentrada.

Si bien el transbordador espacial tiene un TPS notable, los ingenieros han abandonado en gran medida la idea de escudos térmicos reutilizables en favor de baldosas de un solo uso baratas y fáciles de fabricar.

La cápsula Orion no se deslizará como lo hizo el transbordador espacial. En cambio, se utilizan paracaídas para garantizar un regreso seguro a la Tierra. El módulo de tripulación de Orion está diseñado para volver a entrar a velocidades de más de40.000 km / h.

Cómo el Orión sobrevive a la reentrada

La gran superficie de la parte inferior de la cápsula actúa para absorber la fuerza. Al igual que los vehículos de reentrada de Apolo, el escudo térmico de Orion está diseñado para realizar ablación (quemado controlable). El escudo es lo suficientemente aerodinámico para mantener una trayectoria de vuelo estable, pero lo suficientemente contundente como para ralentizar el descenso a una velocidad de apenas 500 kilómetros por hora.

Después de lograr una velocidad razonable, varios pequeños paracaídas de poco más de 2 metros de diámetro reducen la velocidad de la aeronave en solo 30 km / h. A partir de ahí, una serie de grandes paracaídas con diámetros de7 metrosse despliegan para ralentizar la cápsula 200 kilómetros por hora sólo 3 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Finalmente, tres enormes paracaídas principales con un diámetro de 35 metros cada uno reducen la velocidad de descenso a una velocidad de supervivencia. Aunque el aterrizaje no es bonito.

Sin embargo, es a través del arduo y desalentador trabajo que realizan los astronautas hoy que hará avanzar a la humanidad para dar el próximo salto gigante. Pronto, las misiones llevarán a los humanos más allá del alcance de la Tierra para explorar planetas de otro mundo.

Escrito por Maverick Baker

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