Aeroshell

Un aeroshell es un caparazón rígido blindado contra el calor que ayuda a desacelerar y protege un vehículo espacial de la presión, el calor y los posibles desechos creados por el arrastre durante la entrada atmosférica (consulte la teoría del cuerpo contundente ). Sus componentes principales consisten en un escudo térmico (la parte delantera) y una carcasa trasera. El escudo térmico absorbe el calor causado por la compresión del aire frente a la nave espacial durante su entrada a la atmósfera. La carcasa trasera transporta la carga que se entrega, junto con componentes importantes como un paracaídas , motores de cohetes y dispositivos electrónicos de monitoreo como una unidad de medición inercial. que monitorea la orientación del proyectil durante el descenso en paracaídas lento.

Aeroshell vikingo 1

Su propósito se utiliza durante el proceso EDL, o entrada, descenso y aterrizaje , de la misión de una nave espacial. Primero, el aeroshell desacelera la nave espacial a medida que penetra en la atmósfera del planeta. El escudo térmico absorbe la fricción resultante. Durante el descenso, se despliega el paracaídas y se suelta el escudo térmico. Los cohetes ubicados en el caparazón trasero se inician para ayudar a disminuir el descenso de la nave espacial. Las bolsas de aire también están infladas para amortiguar el impacto. La nave espacial rebota en la superficie del planeta directamente después del primer impacto. Los pétalos del módulo de aterrizaje de la nave espacial se despliegan después de que las bolsas de aire se desinflan y retraen. La comunicación a lo largo de todo este proceso se transmite de un lado a otro desde el control de la misión y la nave espacial real a través de antenas de baja ganancia que están unidas a la carcasa trasera y sobre sí misma. A lo largo de las etapas de entrada, descenso y aterrizaje, se envían tonos de regreso a la tierra para comunicar el éxito o el fracaso de cada uno de estos pasos críticos. [1]

Los aeroconchas son un componente clave de las sondas espaciales que deben aterrizar intactos en la superficie de cualquier objeto con atmósfera . Se han utilizado en todas las misiones que devuelven cargas útiles a la Tierra (si se considera el sistema de protección térmica del transbordador espacial como un aeroshell). También se utilizan para todas las misiones de aterrizaje a Marte, Venus, Titán y (en el caso más extremo) la sonda Galileo a Júpiter.

El aeroshell consta de dos componentes principales: el escudo térmico , o parte delantera, que se encuentra en la parte delantera del aeroshell, y la carcasa trasera, que se encuentra en la parte posterior del aeroshell. [2] El escudo térmico del aeroshell está orientado hacia la dirección del ariete (hacia adelante) durante la entrada atmosférica de una nave espacial, lo que le permite absorber el alto calor causado por la compresión del aire frente a la nave. El backshell actúa como un finalizador para la encapsulación de la carga útil. La carcasa trasera generalmente contiene un paracaídas , dispositivos pirotécnicos junto con sus componentes electrónicos y baterías, una unidad de medición inercial y otro hardware necesario para la secuencia de entrada, descenso y aterrizaje de la misión específica. [2] El paracaídas está ubicado en el vértice del caparazón trasero y ralentiza la nave espacial durante la EDL. El sistema de control pirotécnico libera dispositivos como tuercas, cohetes y el mortero de paracaídas. La unidad de medición inercial informa la orientación de la carcasa trasera mientras se balancea debajo del paracaídas. Los retrocohetes, si están equipados, pueden ayudar en el descenso y aterrizaje de la terminal del vehículo espacial; de forma alternativa o adicional, un módulo de aterrizaje puede tener retrocohetes montados en su propio cuerpo para uso terminal de descenso y aterrizaje (después de que el caparazón trasero se haya desechado). Se pueden equipar otros cohetes para proporcionar fuerza horizontal al caparazón trasero, ayudando a orientarlo a una posición más vertical durante la combustión del retrocohete principal. [3]

El objetivo de la misión de una nave espacial determina qué requisitos de vuelo se necesitan para garantizar el éxito de la misión. Estos requisitos de vuelo son la desaceleración , el calentamiento y la precisión del impacto y el aterrizaje. Una nave espacial debe tener un valor máximo de desaceleración lo suficientemente bajo como para mantener intactos los puntos más débiles de su vehículo, pero lo suficientemente alto como para penetrar en la atmósfera sin rebotar. La estructura de la nave espacial y la masa de la carga útil afectan la desaceleración máxima que puede soportar. Esta fuerza está representada por "g", o la aceleración gravitacional de la Tierra . Si su estructura está lo suficientemente bien diseñada y hecha de material robusto (como el acero), entonces puede soportar una mayor cantidad de gramos. Sin embargo, se debe considerar la carga útil. El hecho de que la estructura de la nave espacial pueda soportar altos niveles de gravedad no significa que su carga útil pueda hacerlo. Por ejemplo, una carga útil de astronautas solo puede soportar 12 g, o 12 veces su peso. Los valores que superen esta línea de base causarán la muerte. También debe ser capaz de soportar altas temperaturas causadas por la inmensa fricción resultante de entrar a la atmósfera a velocidad hipersónica. Finalmente, debe poder penetrar una atmósfera y aterrizar en un terreno con precisión, sin perder su objetivo. Un área de aterrizaje más restringida requiere una precisión más estricta. En tales casos, una nave espacial será más aerodinámica y poseerá un ángulo de trayectoria de reentrada más pronunciado. Estos factores se combinan para afectar el corredor de reentrada, el área en la que debe viajar una nave espacial para evitar quemarse o rebotar fuera de la atmósfera. Todos estos requisitos anteriores se cumplen mediante la consideración, el diseño y el ajuste de la estructura y trayectoria de una nave espacial.

La dinámica general de los aerosoles está influenciada por las fuerzas de inercia y de arrastre, como se define en esta ecuación: ß = m / CdA donde m se define como la masa del aeroshell y sus respectivas cargas y CdA se define como la cantidad de fuerza de arrastre de un aeroshell puede generarse durante una condición de corriente libre. En general, β se define como la masa dividida por la fuerza de arrastre (mas por unidad de área de arrastre). Una masa más alta por unidad de área de arrastre hace que la entrada, el descenso y el aterrizaje del aeroshell ocurra en puntos bajos y densos de la atmósfera y también reduce la capacidad de elevación y el margen de la línea de tiempo para el aterrizaje. Los factores que aumentan durante la EDL incluyen la carga y la velocidad de calor, lo que hace que el sistema se adapte con fuerza al aumento de las cargas térmicas. Esta situación reduce la capacidad de masa útil de aterrizaje de entrada, descenso y aterrizaje porque un aumento en la carga térmica conduce a una estructura de soporte más pesada y un sistema de protección térmica (TPS) del aeroshell. La estabilidad estática también debe tenerse en cuenta, ya que es necesario mantener una altitud de alta resistencia. Ésta es la razón por la que se requiere un antebrazo aerodinámico barrido en lugar de uno romo; la forma anterior asegura la existencia de este factor pero también reduce el área de arrastre. Por lo tanto, existe una compensación resultante entre resistencia y estabilidad que afecta el diseño de la forma de un aeroshell. La relación elevación-arrastre también es otro factor que debe tenerse en cuenta. El nivel ideal para una ración de elevación a arrastre es distinto de cero. [4]

USAF Aeroshell "Flying Saucer" en exhibición pública en Missile Park en White Sands Missile Range .

El aeroshell del Programa de Paracaídas de Entrada Planetaria (PEPP) de la NASA, probado en 1966, fue creado para probar los paracaídas para el programa de aterrizaje Voyager en Marte. Para simular la fina atmósfera marciana, era necesario utilizar el paracaídas a una altitud de más de 160.000 pies sobre la Tierra. Se utilizó un globo lanzado desde Roswell, Nuevo México, para levantar inicialmente el aeroshell. El globo se deriva hacia el oeste hasta el White Sands Missile Range , donde el vehículo fue abandonado y los motores debajo del vehículo impulsado a la requerida altitud , donde el paracaídas se desplegó.

El programa Voyager fue cancelado más tarde, reemplazado por el programa Viking mucho más pequeño varios años después. La NASA reutilizó el nombre de Voyager para las sondas Voyager 1 y Voyager 2 a los planetas exteriores, que no tenían nada que ver con el programa Mars Voyager .

El desacelerador supersónico de baja densidad o LDSD es un vehículo espacial diseñado para crear resistencia atmosférica para desacelerar durante la entrada a través de la atmósfera de un planeta. [5] Es esencialmente un vehículo en forma de disco que contiene un globo inflable con forma de rosquilla alrededor del exterior. El uso de este tipo de sistema puede permitir un aumento de la carga útil.

Está destinado a ayudar a una nave espacial a desacelerar antes de aterrizar en Marte . Esto se hace inflando el globo alrededor del vehículo para aumentar el área de superficie y crear resistencia atmosférica . Después de una desaceleración suficiente, un paracaídas con una correa larga se despliega para desacelerar aún más el vehículo.

El vehículo está siendo desarrollado y probado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA . [6] Mark Adler es el director del proyecto. [7]

Vuelo de prueba de junio de 2014

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Video del vuelo de prueba de 2014

El vuelo de prueba tuvo lugar el 28 de junio de 2014, con el lanzamiento del vehículo de prueba desde la Instalación de Alcance de Misiles del Pacífico de la Armada de los Estados Unidos en Kaua'i , Hawai'i, a las 18:45 UTC (08:45 hora local). [7] Un globo de helio a gran altitud, que cuando está completamente inflado tiene un volumen de 1.120.000 metros cúbicos (39.570.000 pies cúbicos), [6] elevó el vehículo a unos 37.000 metros (120.000 pies). [8] El vehículo se desprendió a las 21:05 UTC (11:05 local), [7] y cuatro pequeños motores de cohetes de combustible sólido hicieron girar el vehículo para proporcionar estabilidad. [8]

Medio segundo después del giro, el motor de combustible sólido Star 48B del vehículo se encendió, impulsando el vehículo a Mach 4 y una altitud de aproximadamente 55,000 metros (180,000 pies). [8] Inmediatamente después de que el cohete se quemó, cuatro motores cohete más despuntaron el vehículo. [6] Al reducir la velocidad a Mach 3.8, se desplegó el desacelerador aerodinámico inflable supersónico en forma de tubo de 6 metros (20 pies) (configuración SIAD-R). [8] El SIAD está destinado a aumentar la resistencia atmosférica del vehículo aumentando el área de superficie de su lado delantero, aumentando así la tasa de desaceleración. [9]

Al reducir la velocidad a Mach 2.5 (alrededor de 107 segundos después del despliegue del SIAD [6] ), se desplegó el paracaídas Supersonic Disk Sail (SSDS) para reducir aún más la velocidad del vehículo. [8] Este paracaídas mide 33,5 metros (110 pies) de diámetro, casi el doble que el utilizado para la misión Mars Science Laboratory . [10] Sin embargo, comenzó a romperse después del despliegue, [11] y el vehículo impactó el Océano Pacífico a las 21:35 UTC (11:35 local) viajando de 32 a 48 kilómetros por hora (20 a 30 mph). [7] [12] Se recuperaron todos los registradores de datos y hardware . [9] [12] A pesar del incidente del paracaídas, la misión fue declarada un éxito; el objetivo principal era demostrar la capacidad de vuelo del vehículo de prueba, mientras que SIAD y SSDS eran experimentos secundarios. [9]

Vuelos de prueba de 2015

Dos vuelos de prueba más de LDSD se llevarán a cabo a mediados de 2015 en la instalación Pacific Missile Range. Estos se centrarán en las tecnologías SIAD-E y SSDS de 8 metros (26 pies), incorporando las lecciones aprendidas durante la prueba de 2014. [12] Los cambios planeados para el paracaídas incluyen una forma más redonda y un refuerzo estructural. [11] Poco después del reingreso, el paracaídas fue arrancado. [13]

  • Impresión artística del Viking Orbiter lanzando el módulo de aterrizaje revestido de aerosol ( Don Davis ).

  • Escudo térmico gigante del Laboratorio de Ciencias de Marte .

  • Detalle del escudo térmico del Apolo 12 en exhibición en el Museo del Aire y el Espacio de Virginia .

  • Paracaídas de vela de anillo supersónico de 33,5 metros

  • SIAD-R de 6 metros

  • SIAD-E de 8 metros

  1. ^ "Regreso del espacio: reingreso" (PDF) . Administración Federal de Aviación . Departamento de Transporte de EE. UU . Archivado desde el original (PDF) el 19 de marzo de 2015 . Consultado el 12 de abril de 2015 .
  2. ^ a b "Aeroshells: mantener segura la nave espacial" . Lockheed Martin . Consultado el 2 de diciembre de 2019 .
  3. ^ "Mars Exploration Rover Mission: The Mission" . mars.nasa.gov . Consultado el 2 de diciembre de 2019 .
  4. ^ "Optimización de forma de caparazón de entrada hipersónica" (PDF) . Exploración del sistema solar . NASA . Archivado desde el original (PDF) el 27 de abril de 2015 . Consultado el 12 de abril de 2015 .
  5. ^ Erdman, Shelby Lin; Botelho, Greg (29 de junio de 2014). "La NASA prueba naves de platillo volador para una futura misión tripulada a Marte" . CNN.com . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  6. ^ a b c d "Kit de prensa: desacelerador supersónico de baja densidad (LDSD)" (PDF) . NASA.gov . Mayo de 2014 . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  7. ^ a b c d Carney, Emily (1 de julio de 2014). "Vuelo de prueba del desacelerador supersónico de baja densidad de la NASA aclamado como un éxito" . AmericaSpace . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  8. ^ a b c d e Parslow, Matthew (28 de junio de 2014). "LDSD pasa la prueba de tecnología primaria pero sufre una falla en el conducto" . Vuelo espacial de la NASA . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  9. ^ a b c McKinnon, Mika (29 de junio de 2014). "Un primer vuelo exitoso del vehículo de prueba de platillo sobre Hawai" . io9.com . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  10. ^ Chang, Alicia (1 de junio de 2014). "La NASA probará el paracaídas gigante de Marte en la Tierra" . Revista de Las Vegas . Prensa asociada . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  11. ^ a b Boyle, Alan (8 de agosto de 2014). "Los videos de Flying Saucer revelan lo que funcionó y lo que no" . NBC News . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  12. ^ a b c Rosen, Julia (30 de junio de 2014). "Prueba de NASA Mars un éxito. Ahora para dominar el paracaídas" . Los Angeles Times . Consultado el 12 de agosto de 2014 .
  13. ^ Allman, Tim (9 de junio de 2015). "El paracaídas en 'platillo volante' de la Nasa falla en la prueba" . BBC . Consultado el 9 de junio de 2015 .
  • "Lockheed Martin para diseñar Aeroshell Mars Science Lab" . Mars Daily . 2006-03-30 . Consultado el 17 de febrero de 2007 .

"Para la conservación de combustible en el espacio, los ingenieros de la NASA prescriben Aerocapture" . NASA . 2006-08-17 . Consultado el 17 de febrero de 2007 .

  • Guía de viajes espaciales
  • Vehículos de reentrada temprana: cuerpos romos y ablativos
  • Axdahl, Erik; Cruz, Juan R .; Schoenenberger, Mark; Wilhite, Alan. "Dinámica de vuelo de un Aeroshell utilizando un desacelerador aerodinámico inflable adjunto" (PDF) . NASA.gov . Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica . Consultado el 12 de abril de 2015 .