Tepelný štít je součást kosmické lodi, družice či sondy, která má obránit lidi či náklad na palubě před drsnými podmínkami během průchodu atmosférou. Tyto systémy používají různé kosmické agentury již více než 50 let. Ovšem co se stane, když části štítu během průchodu atmosférou odhoří a jak to následně ovlivní jejich vlastnosti? Výzkumníci z NASA se snaží najít na tyto otázky odpověď. Ve větrném tunelu Mach 6 na Langleyho středisku bylo od roku 2016 otestováno více než sto keramických modelů různých návrhů tepelných štítů. V tomto zařízení je možné dosáhnout až šestinásobku rychlosti zvuku, což odpovídá téměř 7500 km/h. Touto rychlostí byste Atlantik přeletěli za hodinu. Vysušený vzduch je přiváděn do komory, kde vytváří nápor na terč. Poté projde zužující se tryskou, která jej urychlí na hypersonickou rychlost. Vzduch pak testovací sekcí tunelu proletí kolem libovolného ověřovaného objektu. Když pak vzduch opouští testovací sekci rozšiřující se tryskou, dojde k jeho zpomalení a následně je odsátý vakuovým čerpadlem.

Tepelný štít lodi Orion (zde pro misi Artemis II) využívá bloky ablativního mateirálu).
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Aktuální zkoušky jsou součástí projektu Modelování návratových systémů (Entry Systems Modeling), který probíhá v rámci Programu vývoje přelomových technologií. Cílem je vyvinout nová řešení  pro lepší předvídání tlaků a teplot při průchodu atmosférou, aby bylo možné simulovat reakce tepelných štítů na tato prostředí. Mnoho testovaných modelů tepelných štítů představuje různé typy systémů tepelné ochrany, které se podobají těm, které se používají na současných i budoucích misích NASA. Je tu třeba tepelný štít podobný tomu, jaký má loď Orion – tvořený bloky ablativního materiálu, který postupně odhořívá, ale je tu i tkaný tepelně-ochranný systém podobný tomu z prototypu LOFTID (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator). Další verze zastupuje třeba tepelný štít s panely jako měly rovery Curiosity a Perseverance, nebo ablativní tepelný štít, který se připravuje pro misi Mars Sample Return. Všechny tyto verze tu byly otestovány.

Tepelný štít Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator využívá tkaný materiál a je flexibilní
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Keramické modely vyráběné v dílně na Langleyho středisku jsou před testem pokryty termografickou fosforeskující látkou. Ta je podobná té, kterou používaly staré televize s katodovou trubicí. Tato látka začne zářit vlivem ultrafialového záření. Díky této technice, kterou na Langleyho středisku vyvinuli v 90. letech 20. století mohou výzkumníci měřit světlo vycházející z modelu a spojit tyto údaje se změnami teploty. To inženýrům umožní určit, jak se různé části při simulovaném průchodu atmosférou ohřály.

Vědce zajímá, jak hrubost tepelného štítu způsobená ablací (odhoříváním) materiálu, ale i mezerami mezi panely, nebo materiálem, který tyto mezery vyplňuje, ovlivňuje celkové vlastnosti tepelného štítu v různých prostředích a při různých zátěžích. „Cílem je lépe definovat hranice, abychom nemuseli štíty naddimenzovávat,“ vysvětluje Brian Hollis vedoucí testů na větrném tunelu Mach 6 a dodává: „Tato data, společně s letovými údaji jako poskytl experiment MEDLI 2 (Mars Entry, Descent, and Landing Instrumentation 2) na misi Mars 2020 během průchodu atmosférou, nám pomohou snížit požadavky při návrhu, což by potenciálně mohlo ušetřit hmotnost i finance.“

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/…/image/lrc-2022-0525-h1_p_heatshield-2-000207.jpeg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/ksc-20200702-ph-ilw01_0039.jpeg
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/lrc-2022-0614-h1_p_loftid-2-000232.jpeg