オープンカーボン

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13135 (2023) この記事を引用

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宇宙探査ミッションでは、大気圏突入飛行中の宇宙船の熱保護としてアブレーション熱シールドが使用されています。 将来のミッションには献身的な研究が必要ですが、科学界は航空宇宙で通常使用されるアブレーション材料へのアクセスが限られています。 この論文では、研究室実験におけるアブレーション材料のニーズを満たすように設計されたカーボンフェノールアブレーターである HEFDiG アブレーション研究実験材料 (HARLEM) の開発について報告します。 HARLEM は、ポリアクリロニトリルベースの炭素繊維プリフォームとフェノール含浸のための簡素化された処理ルートを使用して製造されます。 私たちは、シュツットガルト大学宇宙システム研究所のプラズマ風洞 PWK1 で行われたアークジェット実験で、HARLEM の熱保護性能を特性評価しました。 実験中に写真測量とサーモグラフィーのセットアップを使用して表面後退率と温度をそれぞれ測定することで、新しい材料の性能を評価しました。 私たちの結果は、アブレーションの有効熱の計算と製造されたままのサンプルの走査型電子顕微鏡検査によって実証されたように、HARLEM の熱保護性能が、さまざまなアークジェット施設または飛行中に検証された従来のカーボンフェノールアブレーターに匹敵することを示しています。 カーボンフェノールアブレーターを社内で製造することにより、アブレーターに診断機能を組み込むことができ、内部圧力やより高度な熱分解分析技術に関するデータの取得が可能になります。

惑星大気圏に突入する宇宙船は高い空気熱負荷を受けるため、専用の熱保護システムが必要です1、2。 突入速度が 11 km/s を超える場合、宇宙船は極度の熱流束に耐えなければならないため、通常、熱保護のためにアブレーション熱シールドが使用されます3。 アブレーションという用語の下で組み合わされるメカニズムと、それが熱シールドの性能にどのような影響を与えるかを徹底的に理解することは、熱保護システムを最適化し、最も困難な宇宙ミッションに伴うリスクを軽減するための鍵となります。

カーボンフェノールアブレーターは最先端のアブレーション材料であり、発見ミッションの熱保護システムとして頻繁に選択されています3。 それらはアブレーションによって大量の熱を放散することができ、炭素含有量が高いため放射線の再放射によって大量の熱を放散することができます4,5。 アブレーション材料の性能を評価し、高エンタルピー流との複雑な相互作用を研究するために、研究者はプラズマ風洞で大気突入条件を再現します。 これらの実験で生成されたデータは、数値モデルを検証するために重要であり、その後、遮熱材料の設計と最適化に使用されます。 しかし、実験中に正確な材料パラメータを取得することは依然として課題であり、特に内部プロセスを分析する場合には特殊な診断装置が必要です。 研究の質を向上させるためには、より基本的な材料データと、以前はアクセスできなかったパラメータを測定できる新しい診断技術が必要です。

診断技術には多くの場合、材料の製造と機器の実装の両方が必要ですが、これを再現するのは困難な場合があります。 さらに、従来のアブレーターの製造に使用される加工方法は、多くの場合、企業または政府機関が独占的で所有しているため、一般に公開文献には開示されていません。 例えば、カーボンフェノールアブレーター PICA の開発を説明する報告書 6,7,8 では、たとえその方法が特許を取得していても、その再現は不可能です 9,10。 ASTERM、AQ61、ZURAM11 などの他のカーボンフェノールアブレーターや、AVCOAT、Cork P50、MA-25S、MonA、SLA-561、ACUSIL などの他のアブレーターのバリエーションは、NASA を含むさまざまな組織が所有する独自の材料です。エイムズ研究センター、ドイツ航空宇宙センター、エアバス SE、Amorim Cork Composites、Textron Inc.、Peraton Inc.、および Lockheed Martin Corp. その結果、これらの材料を研究する研究コミュニティの能力は限られており、それが開発を妨げる可能性があります。宇宙探査ミッション向けの高度な熱保護システム。