والدروع الحرارية هي عناصر أساسية لمركبات العودة إلى الغلاف الجوي، وحمايتها من الحرارة الشديدة التي تولدت أثناء العودة إلى الغلاف الجوي، ويشمل التصميم السليم عمليات حساب معقدة، والالتزام بالمعايير، وأمثلة عملية لضمان السلامة والفعالية.

حساب تصميم الدروع الحرارية

وتبدأ عملية التصميم بحسابات حمولة الحرارة التي تقدر درجة الحرارة القصوى التي يجب أن يتحملها الدرع، وتنظر هذه الحسابات في سرعة العودة، والظروف الجوية، وقابلية المركبات لتصليحها، وكثيرا ما تكون موجة التدفق الحراري مصممة باستخدام معادلة شامبان - كولموغوروف أو بيانات تجريبية.

إن السلوك الحراري، والحرارة المحددة، ومعدلات التراكم هي معايير رئيسية في اختيار المواد، ويتم تحليل نقل الحرارة عن طريق السلوك، والوصاية، والإشعاع، وضمان الحفاظ على السلامة الهيكلية في ظل ظروف متطرفة.

المعايير والمواد

يجب أن تتقيد التصميمات بالمعايير الدولية مثل مبادئ نظام الحماية الحرارية في ناسا ومعايير الصرف الآلي، والمواد المستخدمة تشمل مركبات متراكمة، وأحزمة سمية، وكربون معزز، وتختار هذه المواد لمراكزها العالية المذوبة، وسلوكها الحراري المنخفض، وقدرتها على استيعاب الحرارة من خلال التلازم.

وتشمل اختبارات المواد غرف الفراغ الحراري، واختبارات الجاذبية، واختبارات التراكم لتحفيز ظروف العودة، ويكفل التصديق أداء الدرع بشكل موثوق أثناء البعثات الفعلية.

أمثلة على تصميم الدروع الحرارية

ومن الأمثلة على ذلك وحدة قيادة أبولو التي استخدمت درع حراري متراكم مصنوع من الراتنجات الفينوكية والألياف الزجاجية، وقد صمم الدرع ليتحمل درجات الحرارة حتى 500 2 درجة مئوية أثناء العودة إلى الغلاف، وقد تفرقت عملية التراكم الحرارة وحمت المركبة الفضائية.

مثال آخر هو أن مكوك الفضاء مصنوع من السيراميك الحريري هذه البلاط قدمت العزل الحراري ويمكن استبدالها إذا أُصيبت بأضرار

  • تقدير حمولة الحرارة
  • اختيار المواد واختبارها
  • الامتثال للمعايير
  • التطوير الأولي
  • التحقق من صحة الرحلات الجوية