Tepelný štít

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Jako tepelný štít funguje u amerických raketoplánů spodní část tvořená ze speciálních keramických destiček

Tepelný štít (obecněji tepelná ochrana) je ochranná vrstva umělého kosmického tělesa (například kosmické lodi) nebo balistické střely, chránící před účinky aerodynamického ohřevu při sestupu atmosférou Země nebo jiné planety. [1][2][3]

Využívá se v letectví a kosmonautice při brzdění návratových nebo přistávacích pouzder. Při návratu z nízké oběžné dráhy se typický špičkový tepelný tok v rázové vlně pohybuje kolem 500kW/m2, u meziplanetárních letů je to několik MW/m2[4][5]. Úlohou tepelného štítu je zabránit přestupu tepla z rázové vlny na kosmické těleso.

Systémy tepelné ochrany lze rozdělit například na [6]:

  • pasivní (tepelný rezervoár, radiativní, izolační, ablativní) - jediné dnes používané pro kosmické lodě
  • poloaktivní a aktivní (chlazení tepelnými trubicemi, výparníkové chlazení, cirkulační chlazení, aerodynamické chlazení mezni vrstvy) - navrženo zejména pro scramjety, chlazení mezní vrstvou se používá pro chlazení stěn spalovací komory a trysky raketových motorů.

Pasivní tepelná ochrana[editovat | editovat zdroj]

Ablativní chlazení[editovat | editovat zdroj]

Pracuje na principu vytvoření chladnější mezivrstvy proudích par mezi rázovou vlnou a povrchem štítu. Ablativní tepelný štít je vyroben z materiálu s nízkou tepelnou vodivostí a vysokým měrným výparným teplem. Při průchodu atmosférou za vysoké hypersonické rychlosti se povrchová vrstva štítu se částečně taví a odpařuje a teplo vznikající v rázové vlně je tak odneseno proudem plynů, jimiž se těleso pohybuje. Lze je navrhnout i pro velmi vysoké tepelné zátěže, většinou na jedno použití. Paradoxně, při příliš nízkých tepelných zátěžích (kdy nedojde k odpařování a štít pak pracuje jen jako izolace) múže ochranná funkce selhat.

Příklady ablativních materiálů[7]:

  • pryskyřice (hl. fenolové) - nejstarší tepelné štíty
  • FM5055 - fenolová pryskyřice s uhlíkovým plnivem, použita např. u atmosférického pouzdra sondy Galileo (rekordní vstupní rychlost - 47km/s, rekordní tepelný tok - až 300MW/m2[8][4])
  • AVCOAT - epoxidové a fenol-formaldehydové prykyřice se skleněným plnivem, použit u lodí Apollo
  • SLA561-V - lehká tepelná ochrana pro vyšší tepelnou zátěž, poprvé použita na sondách Viking
  • SIRCA - keramický ablátor impregnovaný silikonem, strojově dobře obrobitelný
  • PICA/PICA-X - uhlíková vlákna ve fenolové pryskyřici, použito např. u sondy Stardust nebo MSL. Varianta PICA-X může být pro návrat z nízké oběžné dráhy Země použita i opakovaně (např. u lodi Dragon).

Tepelný rezervoár (kapacitní tepelná ochrana)[editovat | editovat zdroj]

Principem tohoto typu tepelné ochrany je pohlcení příchozího tepla v materiálu štítu tak, aby se nedostalo ve škodlivé míře k nosným strukturám kosmické lodě. Tato funkce je obsažena ve všech typech tepelných štítů, v "čisté" podobě byla použita jen v programu suborbitálních letů Mercury-Redstone (beryliová "houba") nebo u některých jaderných hlavc (např. americké Mk.2 s měděným rezervoárem)[9]. Problémem těchto tepelných štítů je především velká hmotnost.

Radiativní chlazení[editovat | editovat zdroj]

Tok zářivé tepelné energie z povrchu roste se čtvrtou mocninou teploty (Stefanův-Boltzmannův_zákon). Materiál tepelného štítu tedy může značnou část tepla z plynu zahřátém v rázovou vlnou vyzářit, ať už okamžitě nebo postupně (slouží-li štít zároveň jako tepelný rezervoár). Tento princip chlazení jako se uplatňuje zejména např. na nose a náběžných hranách raketoplánů z uhlík-uhlíkových kompozitů, kde teplota při návratu přesahuje 1500°C. Jsou vyvíjeny vysokoteplotní slitiny a keramiky na bázi zirkonia a hafnia.[10]

Izolační ochrana[editovat | editovat zdroj]

Materiál tepelného štítu funguje zároveň jako izolace nosné konstrukce pod ním. Zejména na místech, kde je teplota povrchu poněkud nižší, lze využít materiálů s extrémně malou tepelnou vodivostí, jako jsou například u raketoplánu dlaždice z křemenných vláken (do 1260°C) nebo speciální tkanina (Nomex, do 370°C).[11]

Tvar tepelného štítu[editovat | editovat zdroj]

I když nejlepší hypersonické vlastnosti mají tělesa s ostrými hranami, nelze je zatím prakticky použít pro tělesa vracející se z oběžné dráhy. Tepelný tok do čela letícího tělesa je menší u těles "tupých", díky větší vzdálenosti rázové vlny od povrchu tělesa (tepelný tok je nepřímo úměrný odmocnině z poloměru zakřivení povrchu, teorii vypracoval roku 1953 Harry_Julian_Allen).[12]

Provedení tepelného štítu[editovat | editovat zdroj]

Tepelný štít je obvykle pevnou součástí tělesa. Může být buď nanesen plošně přímo na povrch dopravního prostředku (Vostok), na jeho odhazovací část (Sojuz) nebo skládán z menších částí (raketoplán). Pro nižší rychlosti lze použít jako tepelnou ochranu i speciální nátěry (X-15). Testovány byly i tepelné štíty nafukovací[13][14].

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. [1]Článek Družice a sondy na laik.kosmo.cz
  2. [2]Tepelná ochrana kosmických lodí při letu atmosférou, přepis z L+K 16/1978
  3. [3]Petr Lála, Antonín Vítek, Malá encyklopedie kosmonautiky, Mladá fronta, Praha 1982
  4. a b [4] Coming home:reentry and recovery from space, R.D.Launius, D.R.Jenkins, NASA, 2011
  5. [5]Returning from Space:Re-entry, R.Motion, FAA
  6. [6] Fifty years of hypersonics: where we’ve been, where we’re going, John J. Bertin, Russell M. Cummings, USAF Academy
  7. [7] Thermal Protection System Technologies for Enabling Future Sample Return Missions, E.Venkatapathy a.j., NASA JPL, 2010
  8. [8] Galileo Probe Heat Shield Ablation Experiment, F.S.Milos, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 34, No. 6 (1997), pp. 705-713. doi: 10.2514/2.3293
  9. [9] "Heat Sink Versus Ablation" v "This New Ocean: A History of Project Mercury", L.S.Swenson Jr., J.M.Grimwood, C.C.Alexander, NASA, 1989
  10. [10]Thermal Protection System (TPS) and Materials, NASA
  11. [11]Space Shuttle Orbiter Systems: Thermal Protection System, NASA
  12. [12]Hypersonics and the Transition to Space, NASA
  13. [13]Inflatable Re-Entry Technologies: Flight Demonstration and Future Prospects, 2000
  14. [14]NASA Launches New Technology: An Inflatable Heat Shield, 17.8.2009