Космические корабли давно используют тепловые экраны для защиты при входе в атмосферы планет. Для будущих миссий к внешней части Солнечной системы потребуются более сложные материалы, чем те, которые существуют в настоящее время.
Однако условия экстремальной жары и скорости частиц, с которыми сталкиваются эти экраны, очень трудно смоделировать на Земле. Ученые, работающие в Национальном термоядерном центре DIII-D в General Atomics (GA), разработали инновационный эксперимент, в котором для испытания материалов теплозащитного экрана используются условия внутри термоядерного реактора.
Во время высокоскоростных входов в атмосферу, которые требуются при полетах к газовым гигантам Солнечной системы, атмосферный газ, окружающий космический корабль, превращается в плазму, а температура повышается до более чем 10 000 ° F. Чтобы защитить научную полезную нагрузку, материал теплозащитного экрана горит (или удаляется) контролируемым образом, что отводит избыточное тепло от ядра космического корабля.
Предыдущие подходы к испытаниям теплозащитного экрана с использованием лазеров, плазменных струй и сверхскоростных снарядов страдали от проблемы, заключающейся в том, что ни один метод не мог имитировать точные условия нагрева, присутствующие во время высокоскоростного входа. Следовательно, прошлые модели поведения теплозащитного экрана иногда преувеличивали или недооценивали эрозию теплозащитного экрана, что приводило к потенциально катастрофическим результатам.
Эксперименты на DIII-D продемонстрировали, что горячая плазма, создаваемая термоядерным реактором во время работы, предлагает новый и потенциально улучшенный способ моделирования поведения теплового экрана, особенно для входа на Венеру или газовых гигантов.
«Некоторые области термоядерной плазмы DIII-D очень близки к условиям, создаваемым, когда тепловые экраны сталкиваются с атмосферой планеты с экстремальной скоростью», - сказал д-р Дмитрий Орлов из Калифорнийского университета в Сан-Диего, возглавляющий группу. «Наше намерение в этих экспериментах состояло в том, чтобы использовать как эти условия, так и богатый набор диагностических инструментов DIII-D для разработки более точной модели поведения теплового экрана».
DIII-D - крупнейшая исследовательская лаборатория магнитного синтеза в США, которая эксплуатируется GA в качестве национального пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США. Сердце объекта - токамак, который использует мощные электромагниты для производства магнитной бутылки в форме пончика для удержания термоядерной плазмы. В DIII-D температура плазмы более чем в 10 раз выше, чем на Солнце.
Большинство экспериментов, проводимых в DIII-D, предназначены для изучения физических основ термоядерной энергии. Существующая система на DIII-D, известная как Система оценки материалов дивертора (DiMES), предназначена для испытания материалов для будущих реакторов. DiMES может подвергать тестовые образцы воздействию различных условий плазмы, а также запускать гранулы тестового материала через плазму.
Доктор Орлов и доктор Ева Костадинова из Обернского университета, работая с группой ученых, студентов и аспирантов, изменили конфигурацию DiMES для измерения скорости абляции углеродных образцов и уточнения моделей прогнозирования поведения теплозащитного экрана на основе углерода.
«Токамак DIII-D имеет относительно длинные плазменные разряды с хорошо контролируемыми стабильными условиями на краю, где тепловой поток и скорость потока аналогичны тем, которые наблюдаются при входе в атмосферу», - сказала д-р Костадинова. «Это позволило нам смоделировать некоторые из самых экстремальных условий, с которыми сталкивались тепловые экраны, такие как вход зонда Galileo в атмосферу Юпитера, без необходимости запускать наши тестовые образцы на высоких скоростях».
Поскольку DIII-D является одним из самых гибких и хорошо оснащенных токамаков в мире, команде удалось собрать ряд ценных данных о поведении образцов. Используя методы масштабирования, они экстраполировали результаты на более крупные снаряды и более длительные экспозиции, что позволило сравнить с экспериментальными данными из предыдущих космических полетов и других наземных испытательных объектов. Результаты дают большие надежды на разработку современных материалов теплозащитного экрана, необходимых для запланированных миссий к Венере и спутникам Юпитера.
