Исследователи NASA и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли впервые смогли в реальном времени наблюдать, как разрушается теплозащитный материал космического аппарата. Для этого специалисты использовали источник синхротронного излучения Advanced Light Source (ALS). Результаты работы опубликованы на сайте Universe Today.
При входе в атмосферу поверхность теплозащиты нагревается примерно до 1650 градусов Цельсия. Материал постепенно разрушается в процессе, который называется абляцией: частицы уносят с собой тепловую энергию и отделяются от корпуса аппарата. Такой принцип применялся, в частности, на капсулах Mercury и кораблях Orion, используемых в программе Artemis.
У абляционной защиты есть существенный недостаток — после полёта её нельзя восстановить, поэтому покрытие обычно приходится заменять. Кроме того, поведение материала сложно точно рассчитать заранее. Во время беспилотной миссии Artemis I специалисты обнаружили неожиданное обугливание и неравномерную потерю защитного слоя, хотя перед запуском было проведено множество компьютерных симуляций. Аппарат при этом успешно приводнился в Тихом океане.
Для экспериментов в лаборатории создали специальную камеру, где образцы нагревались до 900 градусов — именно при такой температуре теплозащитные материалы начинают разрушаться. Учёные могли менять давление и состав газовой среды, имитируя отдельные условия входа в атмосферу, однако скорость воздушного потока установка воспроизвести не позволяла. Главным преимуществом ALS стала возможность одновременно проводить рентгеновскую микрокомпьютерную томографию и получать трёхмерные изображения структуры образцов в процессе разрушения.
По словам одного из руководителей проекта Вишну Оруганти, ранее занимавшегося исследованиями в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, а теперь работающего в Космическом центре имени Джонсона NASA, с помощью этой технологии изучили почти все основные абляционные материалы NASA, включая те, что предназначены для миссий Artemis и полётов к Марсу. SLA-561V, содержащий частицы пробки, при нагреве быстро испаряется, оставляя внутри полые участки. Материал SLA-220 на силиконовой эластомерной основе формирует соединённые между собой разветвлённые микроканалы, по которым горячие газы быстро выходят наружу.
Перед исследователями стояла проблема выбора между скоростью съёмки и детализацией изображений. Подробное сканирование происходило слишком медленно, а ускоренная съёмка давала недостаточное разрешение. Поэтому специалисты обучили алгоритм генеративной состязательной сети (GAN), который преобразовывал серии быстрых изображений среднего качества в детализированные трёхмерные записи изменений материала. Полученные данные пока не использовали для обновления инженерных моделей, а теплозащиту коммерческих аппаратов Dragon и Starship в рамках работы не изучали: применяемые там технологии SpaceX являются закрытыми.