Как летучие соединения Бенну будут оставаться холодными и немодифицированными теплом повторного входа (OSIRIS-REx)?

Просматривая видео в этой статье в NYTimes , НАСА нацеливается на астероид, содержащий подсказки к корням Солнечной системы, я впервые понял, как образцы на самом деле возвращаются на Землю.

Химический состав органических и летучих соединений представляет большой интерес для этой миссии по многим причинам. Поэтому я думаю, что важно избегать термически индуцированных химических реакций, миграции и перераспределения соединений в матрице образца. Если станет жарче, чем на Бенну, наука может быть скомпрометирована.

примечание: согласно тексту в этой превосходной анимации «Миссии астероидов » ближе к концу, скорость повторного входа будет начинаться примерно с 12,4 км/сек. См. также пресс-кит OSIRIS-REx .

Из статьи Википедии об OSIRIS-REx :

Верните и проанализируйте образец нетронутого углеродистого реголита астероида в количестве, достаточном для изучения природы, истории и распределения составляющих его минералов и органического материала.

Является ли повторный вход неглубоким, чтобы избежать пиковых внешних температур, или он глубокий и быстрый, чтобы «покончить с этим», прежде чем тепло сможет распространиться через (предположительно) большую изоляцию?

Скриншоты из видео NYTimes :

кадр из видео NYTimes на 1:45

кадр из видео NYTimes на 2:03

кадр из видео NYTimes на 2:12

кадр из видео NYTimes на 2:25

кадр из видео NYTimes на 2:38

кадр из видео NYTimes на 2:39

Имейте в виду, что астероид вращается, и его поверхность находится под прямыми солнечными лучами в течение половины его 4,3-часового периода вращения. В зависимости от широты собранный образец поверхности мог уже много раз пройти цикл между -100 и +100 градусами Цельсия.
@RussellBorogove, да, отсюда и осторожная формулировка: « Если станет жарче, чем на Бенну, наука может быть скомпрометирована ». Т 4 знак равно Т С я м а Икс / о ϵ куда Т С я м а Икс знак равно 1368 / 0,9 А U 2   Вт / м 2 , ϵ ≈ 0,96 а также о ≈ 5,67 Икс 10 − 8   Вт / м 2 К 4 дает около 420K или 150C, но материал на несколько сантиметров может никогда не стать таким горячим, поскольку упаковка будет очень рыхлой при низкой гравитации, что сделает теплопроводность довольно низкой. Поскольку температура, связанная с входом в атмосферу, составляет порядка 3000 К в течение, скажем, 100 секунд, капсула — настоящий инженерный подвиг!

Ответы (4)

Капсула возврата проб предназначена для поддержания температуры ее содержимого ниже 75 °C. Это испытанная в полете конструкция, в которой повторно используются технологии, разработанные для миссии Stardust.

Конструкция возвратной капсулы состоит из графито-эпоксидного материала, покрытого системой тепловой защиты с использованием технологии теплозащитного экрана НАСА PICA - углеродного аблятора, импрегнированного фенолом.

PICA — это легкий материал, разработанный для того, чтобы выдерживать высокие температуры и механические нагрузки. Технология была разработана в Исследовательском центре Эймса НАСА и в настоящее время находится в третьем поколении после постепенных улучшений. SpaceX модифицировала технологию PICA для космических кораблей Dragon и Dragon 2, позволив повторно использовать теплозащитные экраны.

Принцип, лежащий в основе технологии абляционного теплозащитного экрана, заключается в создании пограничного слоя между внешней стенкой экрана и чрезвычайно горячим газом ударного слоя, позволяя материалу теплозащитного экрана медленно сгорать и в процессе образовывать газообразные продукты реакции, которые вытекают из теплозащитный экран и удерживать ударный слой на разделительном расстоянии, уменьшая общий тепловой поток, испытываемый внешней оболочкой космического корабля.

Процессы, происходящие в материале теплозащиты, включают обугливание, плавление и сублимацию с одной стороны и пиролиз с другой.

В результате пиролиза образуются газы, которые выдуваются наружу и создают желаемую блокировку конвективного и каталитического теплового потока. Радиационный тепловой поток снижается за счет введения в газ пограничного слоя соединений углерода, делающих его оптически непрозрачным.

Задняя часть SRC также покрыта термозащитным материалом, но, поскольку она находится в следе от потока горячего газа, она не нуждается в такой защите, как сторона, обращенная вперед. Его система тепловой защиты состоит из материала на основе пробки, известного как SLA 561V, первоначально разработанного для миссий Viking на Марс в 1970-х годах и использовавшегося в ряде миссий, включая миссии Mars Pathfinder, Genesis и MER. Кроме того, внутри корпуса находится парашютный механизм с надежными точками крепления парашютов к капсуле.

Контейнер для проб сам по себе представляет собой алюминиевый корпус, установленный на композитной платформе для оборудования и находящийся между задней стенкой и теплозащитным экраном. Общая производительность SRC будет поддерживать температуру образца ниже 75°C, чтобы избежать пиролиза (термохимического разложения) органического материала при более высоких температурах.

ХОРОШО! Он намного больше, чем я себе представлял, поэтому здесь больше места для изоляции. Я добавил ответ ниже с некоторыми полезными изображениями по вашей ссылке. Если вы хотите включить их в свой ответ, я удалю его позже. Я думаю, что ключевой момент заключается в этих двух предложениях — вы могли бы выделить их: « Пиролиз создает газообразные продукты, которые выдуваются наружу и создают желаемую блокировку конвективного и каталитического теплового потока. Радиационный тепловой поток уменьшается за счет введения соединений углерода в газ пограничного слоя, которые делают его оптически непрозрачным ».

Это дополнение к принятому ответу @Hobbes, и эта информация взята из этой ссылки из этого ответа.

Возвратная капсула намного больше, чем я себе представлял, 81 см в диаметре и 50 см в высоту, так что места для изоляции предостаточно.

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

Согласно веб-сайту OSIRIS-REx, управляемому НАСА , тепловой экран на капсуле возврата образца удаляет более 99% начальной кинетической энергии:

фото с сайта asteroidmission.org

Этого должно быть достаточно, чтобы предотвратить любые химические/биологические изменения и сохранить реголит для дальнейших научных исследований.

Спасибо, а вы подсчитали, насколько велик другой 1% в джоулях? «Этого должно быть достаточно», кажется, это мнение. Можете ли вы найти что-то количественное, на что можно сослаться?
Согласен, это мнение. Проблема действительно зависит от типа изоляции, используемой для хранения образцов. Я могу удалить ответ как недостаточный
Вы также можете сказать что-то вроде «Хорошо, я посмотрю, что еще я могу узнать», не нужно удалять. Тепловой экран взаимодействует с атмосферой, и вместе они могут избавиться от 99% кинетической энергии. Например, если эта штука весит 10 кг, то 1% по-прежнему составляет 7,7 мегаджоулей. Теплозащитный экран и плазма, соприкасающаяся с ним (и излучающая обратно) будут очень горячими , скажем, 100 секунд. Я думаю, интересно то, что образец находится в нескольких сантиметрах от чего-то почти добела раскаленного — как он остается холодным и насколько холодным он остается на самом деле? Это должно быть потрясающая изоляция!
Остальные должны быть в основном в парашюте.
Да, я согласен с комментарием @PearsonArtPhoto - «99%» означает, что тепловой экран избавляется практически от всей энергии, остальное, вероятно, просто аэродинамическое торможение на более низких высотах, за которым следуют тормоза + парашюты.
Я действительно не знаю, как вычислить тепло в джоулях. Вес, скорость и сопротивление, основанные на размере корабля, по-видимому, требуют довольно сложной модели.
@Энди не «избавляется» от энергии. Взаимодействие теплозащитного экрана с атмосферой переводит большую часть начальной кинетической энергии шаттла в кинетическую энергию молекул газа (в виде тепла (а также некоторой ионизации)) но не просто «уходит»; часть этого передается обратно в капсулу через контакт и излучение. Даже 0,1% переноса было бы достаточно, чтобы изменить образец и снизить его полезность. В этих двух предложениях много науки !

Точно так же возвращающиеся космонавты остаются прохладными и неизмененными благодаря использованию теплозащитного экрана.

Во всех остальных ответах уже упоминались тепловые экраны, так что можете ли вы рассказать об этом подробнее?
Это называется юмор, об этом есть хорошая статья в википедии.
На Stack Exchange мы удаляем юмор (и все остальное), который не помогает отвечать на вопросы. Это не сайт, где можно хвастаться остроумием или участвовать в интересных дискуссиях; это просто вопросы и ответы на них.
Теплозащитные экраны прекрасны, но они не «волшебные». Нельзя просто сказать, что есть теплозащитный экран, значит, все в порядке и поэтому образец останется холодным. Ученые согласились с максимально допустимым температурным переходом для образца около +75°С, что хорошо, поскольку на образце не будет скафандра.
Я думаю, что можно получить хорошо написанный ответ, который также будет юмористическим.
Как летучие соединения Бенну будут оставаться холодными и немодифицированными теплом повторного входа (OSIRIS-REx)?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v