Små sonder holder stort løfte for fremtidige NASA-missioner

Nogle gange for at finde den bedste løsning på et stort problem, du skal starte i det små.

Et hold af NASA-ingeniører har arbejdet på en ny type termisk beskyttelsessystem (TPS) til rumfartøjer, der ville forbedre status quo.

Efter at have set succes i laboratoriet med disse nye materialer, næste skridt er at teste i rummet.

Det konforme ablative termiske beskyttelsessystem, eller CA-TPS, vil blive installeret på en lille sondeflyvningsartikel leveret af Terminal Velocity Aerospace (TVA) og lanceret på Orbital ATK's syvende kontraktlige kommercielle genforsyningsservicemission for NASA til den internationale rumstation den 18. april.

TVA's RED Data2 sonde, kun lidt større end en fodbold, er et ubemandet udforskende rumfartøj designet til at transmittere information om sit miljø.

"Formålet med flyvetesten er at indsamle data om opbrud af forsyningskøretøjer og samtidig demonstrere ydeevnen af ​​det konforme ablative termiske beskyttelsessystem, når sonden - indkapslet med TPS - kommer ind i Jordens atmosfære, " forklarede Ethiraj Venkatapathy, projektleder for Thermal Protection System Materials med NASAs Space Technology Mission Directorate's (STMD) Game Changing Development (GCD) program. "Termisk beskyttelse er et vigtigt element, der sikrer et rumfartøj fra at brænde op under indsejling."

"Data opnået fra flyveforsøg som denne med TVA og NASA, kombineret med test ved forskellige atmosfæriske sammensætninger, giver os mulighed for at bygge designværktøjer med større tillid til at komme ind i andre planetariske atmosfærer såsom Venus, Mars eller Titan, " fortsatte han. "At samarbejde med en lille virksomhed for at få flyvedata til et udviklingsmateriale er en meget billig måde at nå flere mål på."

TPS Venkatapathy og hans team designer bruger nye materialer kaldet conformal PICA (C-PICA) og conformal SIRCA (C-SIRCA), forkortelse for Phenolic Imprægnated Carbon Ablator og Silikone Imprægneret Genanvendelig Keramisk Ablator, henholdsvis.

Sonden er i det væsentlige en hård aeroskal dækket med TPS og udstyret med sensorer kaldet termoelementer. For at måle temperaturen under atmosfærisk indtrængning, termoelementerne er indlejret i varmeskjoldets C-PICA og bagskallens C-SIRCA for at fange data for at forstå, hvordan materialerne opfører sig i et faktisk indgangsmiljø.

Med finansiering gennem STMD/GCD, NASAs Ames Research Center ledede arbejdet med at levere konforme ablative materialer og TPS-instrumentering installeret på Terminal Velocitys sonder. Terminal Velocity arbejder også med NASAs Johnson Space Center med finansiering fra STMDs Small Business Innovation Research-program for at miniaturisere og forbedre dataindsamlings- og transmissionssystemet samt yde støtte til ISS-flyvningscertificering.

Gennem ISS Exploration Flight Project Initiative, Johnson certificerede tre TVA-sonder til flyvning. En sonde bruger de konforme ablative materialer, en anden har Orion varmeskjold-materialet, og den tredje sonde bruger shuttle-flisemateriale som reference. TVA leverede de samlede sonder til Cargo Mission Contract-gruppen til denne flyvning.

Efter Orbital ATK's lancering af genforsyningstjenester ankommer til ISS, sonderne vil forblive på fragtskibet og afvente deres mulighed for at gå på arbejde. Forventet at blive frigivet fra ISS i juni, når fragtskibet igen kommer ind i jordens atmosfære og bryder op, sonderne vil blive installeret og derefter begynde at fange data gennem termoelementerne indlejret i TPS'en.

"Sonderne er designet til at blive frigivet fra den metalliske skal, og når de først er frigivet, de begynder at blive varme. De termiske responsdata indsamles fra de forskellige steder, hvor termoelementer er indlejret i TPS, " forklarer Robin Beck, teknisk leder for den konforme TPS-udvikling. "Sonden inkluderer en antenne, der gør det muligt for den at kommunikere med en Iridium-satellit. Når sonden falder ned i atmosfæren og sænker sig til lydens hastighed, dataene indsamles og opbevares, derefter transmitteret til Iridium-satellitten ovenfor, som igen overfører data til forskere på jorden."

Når flytestens data er indsamlet, TVA's sonde får lov at falde i havet og bliver ikke gendannet; imidlertid, disse små rumfartøjer vil bidrage meget til at sikre, at de prædiktive modeller, der er udviklet baseret på test i jordfaciliteter, er gyldige og anvendelige i rummet.

"Der er kendte og ukendte risici, men både NASA og TVA er motiverede for at få succes, da fordelene også oversættes til det større samfund, der ønsker at have on-demand adgang til rummet, " siger Venkatapathy. "Denne teknologi har potentialet til at sænke omkostningerne ved adgang til plads til små nyttelaster, samtidig med at den gør den attraktiv for universiteter og ikke-luftfartssamfundet, som kan være nybegyndere til flytestning - en udfordring i sig selv og ikke risiko gratis."

Fordi der ikke er nogen backup for et rumfartøjs TPS, det er afgørende at forstå og udvikle forudsigelsesfunktioner, der tillader sikker, robust entry system design. En vellykket flyvetest i denne skala vil øge tilliden til den konforme ablator og give missionsplanlæggere mulighed for at overveje C-PICA og C-SIRCA til brug i fremtidige programmer såsom New Frontiers eller Orion.