Экспериментальные исследования и 4D-моделирование с использованием машинного обучения выявили риск серьезных деформаций в теплозащитных системах космических кораблей, что может привести к катастрофическим последствиям во время возвращения на Землю.
Чтобы предотвратить сгорание космического корабля при входе в атмосферу Земли, внешняя часть его теплозащитного экрана жертвует собой, защищая остальные элементы корабля. Углеродные волокна разрушаются, рассеивая тепло. Исследовалось, что это происходит исключительно на поверхности экрана, однако недавние исследования, проведенные учеными из Инженерного колледжа Грейнджера, Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн и их коллегами из четырех научных организаций из различных стран, предоставили новую информацию о том, как защитный материал из углеродного волокна меняется не только на поверхности, но и внутри него. В глубине защитного слоя может произойти разрушение структуры, что ставит под угрозу долговечность и безопасность многоразовых космических аппаратов. Вероятно, непредвиденное глубокое разрушение теплового экрана может угрожать и возвращающимся на Землю одноразовым модулям, включая те, что с экипажем.
По словам эксперта в области аэрокосмической техники Бена Рингеля, который сыграл важную роль в исследовании, при определенных условиях может значительно нарушаться структурная целостность теплозащитного экрана. Глубокая деформация может привести к отрыву крупных фрагментов материала, что ускоряет разрушение всей системы теплозащиты.
Окисление углеродного волокна — это неизбежный процесс в теплозащите. Он является одним из наиболее тщательно изученных в материаловедении, и его теория хорошо развита. Однако в результате довольно сложного эксперимента инженеры впервые смогли наблюдать теорию в действии, причем с неожиданными нюансами.
Ученые из лаборатории Berkeley Lab Advanced Light Source провели эксперименты в Институте Пауля Шерера в Швейцарии. Они использовали широкополосный излучатель TOMCAT (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology experimentTs) — специализированную установку, которая позволяет отслеживать динамические процессы в пространстве и времени с помощью высокочувствительных камер и детекторов. Эти устройства фиксируют структуры микронного масштаба с субсекундным временным разрешением.
Ученые подвергли небольшие образцы абляционного углеродного волокнистого материала нагреванию в сочетании с рентгеновским излучением TOMCAT, имитируя воздействие на корабль во время входа в атмосферу. В результате были собраны серии трехмерных изображений образца в процессе его вращения и реакции с кислородом.
Участники эксперимента отмечают невероятный уровень детализации, который обеспечивается TOMCAT. Они смогли наблюдать абляцию волокон с разрешением, которого раньше не удавалось достичь. Бену Рингелю передали около 19 терабайт необработанных данных, которые он начал анализировать.
После обработки данных ученый применил алгоритм глубокого машинного обучения для их сегментации, выделив на изображениях каждое волокно теплозащитного материала. В итоге сформировалось понимание того, как легко кислород проникает через материал и насколько быстро он реагирует с углеродными волокнами.
Количество кислорода, доступного для реакции с углеродом, на большой высоте ограничено. При высоких температурах реакции происходят быстро, и кислород не успевает глубоко проникнуть в материал. Однако по мере снижения температуры реакции замедляются, позволяя кислороду проникать глубже, что приводит к ослаблению волокон по всему объему термозащитного экрана.