Rumfartøjet er designet til at overleve ild, surfer sin egen bølge

Patrick Rodis nye idé til surfing er langt ude, hurtig og hvidglødende.

Rodi, en banebrydende rumfartsingeniør, der kom til Rice Universitys Brown School of Engineering i 2018, har designet et højtflyvende køretøj kaldet en "capsule waverider", der gør mere end at fange en bølge. Den overlever en brændende tilbagevenden fra det ydre rum, før den glider som en surfer på sin egen chokbølge.

Waverideren er langt fra et typisk fly. Mens et passagerfly måske flyver omkring 600 miles i timen, den hypersoniske waverider ville være mindst 10 gange hurtigere, og ved sådanne hastigheder opfører luften, der strømmer omkring et fly, sig på måder, der er fundamentalt forskellige fra, hvordan luften strømmer rundt i et konventionelt fly.

"Når du har hypersonisk flow, du genererer chokbølger, " sagde Rodi, en professor i praksis ved Rice's Department of Mechanical Engineering. "Som designer, du kan vælge formen på den geometri, så stødbølgen ligger lige langs køretøjets forkant. Så den rider bogstaveligt talt på sin egen chokbølge."

Rodi kom til Rice efter en 23-årig karriere hos Lockheed Martin, hvor han arbejdede på mange avancerede programmer på det berømte Skunk Works i Palmdale, Californien, samt på Orion rumkapselprogrammet i Houston. Waveriders har længe været en passion for Rodi, som Office of Naval Research har kaldt "den mest produktive waverider-teknologiudvikler i det offentlige register."

"Andre køretøjer har chokbølger, " sagde han. "Men chokbølgerne er adskilt fra køretøjet, og højtrykslækager omkring det lille hul mellem stødbølgen og selve kroppen."

Waverider-designet forhindrer højtryksluften i at lække væk.

"Du bruger energi på at komprimere luften, og nu bruger du den højtryksluft så effektivt som muligt, " sagde han. "Du mister ikke det løft. Du fanger det ved at forme geometrien, rider på bølgen. Og det er meget effektivt. Det er det store ved waveriders. Løft-til-træk-forholdet er virkelig højt, som korrelerer lineært med glideafstand, eller rækkevidde, den metric, du leder efter."

Rodi skulle efter planen præsentere kapsel-waverider-designet i sidste måned i Montreal på American Institute of Aeronautics and Astronautics (AAIA) Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, som blev aflyst på grund af coronavirus.

"Dette er min sjette nye klasse waverider-køretøjer, og det er det, der er kendt som et boost-glide køretøj, hvilket er en stor ting i hypersonic i disse dage, " han sagde.

Boost-glide-køretøjer kan være enten lang- eller kortrækkende og diskuteres ofte som en ny type leveringssystem til våben, der affyres fra ballistiske missiler.

Ligesom traditionelle sprænghoveder, boost-glide køretøjer ville blive boostet ud i rummet på missiler. Men traditionelle sprænghoveder manøvrerer ikke, hvilket betyder, at det er muligt at se, hvor de er på vej hen blot få øjeblikke efter, at de er lanceret. Boost-svævefly kan hindre forsvarere ved at ændre retning og flyve til uforudsigelige målplaceringer.

"Når det først kommer ind i atmosfæren, det slår ret dybt, og det bliver virkelig, virkelig varmt, " sagde Rodi. "Der er højtryksbelastning, høj opvarmning. Til re-entry vil du have noget, der kan overleve den høje opvarmning. I bund og grund, du vil have et køretøj, der ligner en traditionel rumkapsel. Som svæveflyver, du vil have noget, der er meget effektivt, med et højt løft-til-træk-forhold."

Capsule waverider-klassen afbalancerer disse krav, han sagde. På den ene side, den har den afrundede, stump form, der minder om et traditionelt rumkapsel-varmeskjold. På den modsatte side, det er et vingeformet waverider-svævefly.

Våben var ikke inspirationen til Rodis boost-glide waverider. Hellere, han forestiller sig dem som køretøjer til at lande mennesker og forsyninger på Mars.

Mens den røde planets atmosfære er tynd, rumfartøjer har brug for varmeskjolde for at overleve adgang. Denne opvarmning, planetens stenbestrøede overflade og kommunikationsforsinkelsen mellem Jorden og Mars gør landinger på Mars meget vanskelige.

"Det er et reelt problem for NASA, " sagde Rodi. "Dette koncept ville give dig mulighed for at komme ind som en kapsel, vend over til en vaklende, glide rundt, se på tingene, find dit landingssted og aflever derefter udstyr med faldskærme, glide ind og glide hen over Mars-overfladen, eller slå op og lande på køretøjets hale. Det giver dig mange muligheder."