Til hovedsiden
    

   
    Bli medlem
    Siste nytt
    Artikler
    Bildeserier
    Temasider
    Bildearkiv
    Foredrag
    Effekter til salgs
    Lenker
    Spørsmål og svar
    Spør oss
    Prosjektoppgave
    Om oss
    NAF på Facebook
    Kontakt oss
    Nettstedskart
    Hovedsiden
Trykk for å lese mer om sitatet
 

Varmeskjold til Orion

Månedens bilde august 2007

Av Erik Tronstad

 

Skriv ut | Tips en bekjent

 

Varmeskjold

Kandidatmateriale til bruk i varmeskjold under utprøving i Interacting Heat Facility ved NASAs Ames Research Center. (NASA)

Orion er det bemannede romfartøyet som NASA skal bygge for å erstatte romfergen for transport av mennesker til og fra verdensrommet. Romfartøyet skal med tiden brukes til bemannede ferder til og fra Månen, ifølge de planene NASA i dag har.

Et særdeles viktig element i romfartøyet er varmeskjoldet. Det skal beskytte romfartøyet og besetningen mot de enorme varmebelastningene Orion utsettes for når det passerer gjennom jordatmosfæren på vei tilbake til Jorden.

Når Orion kommer tilbake etter en ferd til Månen, treffer det jordatmosfæren med en hastighet på om lag 11,2 km/s (vel 40 000 km/h). Temperaturene på varmeskjoldet kan da nå opp i overkant av 2600 °C.

Før Orion kan bygges, må man finne hva slags materiale varmeskjoldet skal lages av. Materialet som velges, må oppfylle mange krav som for eksempel:

  • Tåle de store varmebelastningene det utsettes for under en tilbakevending gjennom jordatmosfæren
  • Tåle de kraftige vibrasjonene det utsettes for under oppskyting
  • Tåle påkjenningene fra sterke lydbølger under en oppskyting
  • Tåle både å bøyes og strekkes
  • Tåle mange sykluser med nedkjøling og oppvarming mens romfartøyet er i rommet

Allerede er det klart at varmeskjoldet må bestå av et eller annet ablasjonsmateriale. Det er et materiale som langsomt brenner bort på en kontrollert måte. Ablasjonen frakter med seg varme som ellers ville gitt varmeskjoldet enda høyere temperaturer. Prosessen begrenser derfor hvor stor varmebelastningen på varmeskjoldet blir.

Varmeskjoldet må selvsagt i utgangspunktet være tykt nok til at ikke hele skjoldet brenner bort og forsvinner under en tilbakevending. Orions varmeskjold skal bygges i ett stykke og ha en diameter på 5 m.

Både ved NASA-sentrene Ames Research Center (ARC) i California og Johnson Space Center i Texas har man spesialutstyr for utprøving av hvor godt ulike materialer oppfyller kravene ovenfor. Blant utstyret er kjempestore «blåselamper» i romstørrelse.

«Blåselampen» ved ARC kalles Interaction Heating Facility (IHF) og er det største anlegget i sitt slag i USA. (Et anlegg av tilsvarende størrelse finnes i Italia.) IHF sluker opptil 60 MW med elektrisk energi og kan fokusere store mengder varmeenergi mot en materialprøve. Innvendig kan temperaturene nå opp i 10-15 000 °C. I anlegget inngår derfor tusenvis av slanger og rør som frakter vann til avkjøling av utstyret.

Interaction Heating Facility

Noe av vannkjøleanlegget ved Interaction Heating Facility. (NASA)

Til tross for størrelsen kan IHF ikke teste et helt 5 m stort varmeskjold til Orion. Anlegget kan bare brukes til tester med mindre materialprøver.

Når et legeme utefra rommet kommer inn i jordatmosfæren, skjer det en kraftig oppvarming av gassene rundt det og av legemet selv. Som regel forklares dette med at legemet varmes opp på grunn av friksjonen mot gassene i atmosfæren. Strengt tatt er den forklaringen ikke helt korrekt.

Bare rundt 1 % av oppvarmingen som et legeme utsettes for under inntreden i jordatmosfæren skyldes friksjon mellom gasspartiklene i atmosfæren og legemet. Resten av varmebelastningen skyldes en annen fysisk effekt.

Når et legeme kommer inn i jordatmosfæren med stor hastighet, skjer en voldsom sammenpressing av gassene foran legemet. Der dannes et lag eller en sone som kalles et frontsjokk. Sammepressingen er adiabatisk, noe som betyr at den foregår uten utveksling av varme eller masse med omgivelsene.

Jo større legemets hastighet er, jo sterkere er frontsjokket, jo høyere temperatur får gassene der og jo mer varme overføres til legemet.

Sammenpressingen av gassen gir den en temperaturøkning. Når romfergen kommer inn i jordatmosfæren, presses gassene foran den sammen med en faktor på omtrent 500 eller mer. Når Orion vender tilbake fra en måneferd, har romfartøyet betydelig høyere hastighet enn romfergen. Derfor vil sammenpressingen for Orion være mye mer enn 500 ganger.

Den største varmebelastningen kommer mens romfartøyet ennå er høyt oppe i jordatmosfæren, i om lag 75 km høyde. Trykket der er bare om lag 0,00002 atmosfærer, det vil si 2/100 000 av hva det er ved jordoverflaten. Til tross for en kraftig sammenpressing av gassene foran romfartøyet, er derfor trykket på romfartøyet likevel lavt, typisk mellom 0,1 atmosfære og 1 atmosfære for NASA-romfartøyer.

Når en gass presses raskt sammen uten at den får tid til å avkjøles (adiabatisk sammenpressing), varmes den opp og temperaturen i den stiger. I frontsjokket kan temperaturen da komme opp i 10 000 °C.

Siden temperaturen i frontsjokket er langt høyere enn i varmeskjoldet på et romfartøy, overføres det varme fra frontsjokket til varmeskjoldet. Kilden til oppvarmingen av varmeskjoldet er imidlertid ikke friksjon mellom varmeskjoldet og gassmolekylene, men varmen fra frontsjokket.

Mellom frontsjokket og varmeskjoldet danner det seg et tynt lag kalt grenselaget. Det er gasspartiklene i det som er i direkte kontakt med varmeskjoldet. Gasspartiklene i grenselaget beveger seg forholdsvis langsomt langs varmeskjoldet. Friksjonen mellom grenselaget og varmeskjoldet bidrar derfor bare i svært liten grad til oppvarmingen av varmeskjoldet, som nevnt med bare omkring 1 %.

 
Forrige måned | Neste måned | Alle måneder
 
 
 

Alt stoff på romfart.no/.com/.org er opphavsrettslig beskyttet.
romfart.no/.com/.org eies og drives av Norsk Astronautisk Forening.