Maahan palaavien alusten lämpösuojaussysteemit

Abstract

Avaruusteknologia on kasvava tekniikanala, jonka hyödyt ovat iso osa ihmisten jokapäiväistä elämää esimerkiksi paikannusjärjestelmien ja puhelin- ja verkkoyhteyksien muodossa. Nämä hyödyt ovat pitkälti mahdollisia maan kiertoradalla olevien satelliittien vuoksi. Yhä kasvavissa määrin lisääntyvän satelliittien määrän ja avaruustutkimuksen vuoksi on tärkeää, että kiertoradalle vietävät kuormat saadaan kuljetettua turvallisesti ja resurssitehokkaasti. Yksi tapa edistää tätä resurssitehokkuutta on kehittää avaruusaluksia, joita voidaan käyttää useita kertoja ja joiden käyttöikä on mahdollisimman pitkä. Tämä kandidaatintyö on kirjallisuuskatsaus maahan palaavien avaruusalusten lämpösuojauksesta erilaisin lämpösuojaussysteemein. Työssä pyritään selvittämään, mitä vaatimuksia laskeutuminen asettaa aluksen lämpösuojaukselle, millaisia lämpösuojaussysteemejä on olemassa, ja mihin niiden toiminta perustuu. Tämä työ keskittyy erityisesti passiivisiin systeemeihin, joissa käytettyjen materiaalien merkitys korostuu erityisesti. Avaruusalusten lämpösuojaus on tärkeä osa aluksen suunnittelua, sillä laskeutumisen aikana muodostuvat lämpökuormat voivat johtaa aluksen vaurioitumiseen tai tuhoutumiseen. Lisäksi lämpö voi vahingoittaa aluksen miehistöä ja kuormaa johtaen merkittäviin menetyksiin. Työ jakautuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa käydään läpi alukseen laskeutumisen aikana vaikuttavia olosuhteita ja näihin olosuhteisiin vaikuttavia tekijöitä. Toisessa osassa käydään läpi, millaisia lämpösuojaussysteemeitä on olemassa ja paneudutaan tarkemmin ultrakorkean lämpötilan keraameihin ja niiden soveltuvuuteen passiivissa lämpösuojaussysteemeissä. Tämän jälkeen käydään läpi ultrakorkean lämpötilan keraameiden tyypillisiä ominaisuuksia ja valmistusmenetelmiä. Lisäksi työssä käsitellään ultra korkean lämpötilan keraameita hyödyntäviä komposiitteja, niiden valmistusmenetelmiä, ominaisuuksia ja soveltuvuutta lämpösuojaussysteemeihin. Tässä työssä käsiteltyjen tutkimusten perusteella avaruusalusta voidaan suojata maahan pa-luussa muodostuvilta lämpökuormilla käyttäen useita erilaisia systeemejä. Lämpösuojaus voidaan toteuttaa joko kertakäyttöisenä tai uudelleenkäytettävänä ja se voi hyödyntää erilaisia jäähdytysaineita tai perustua systeemissä käytettyjen materiaalien ominaisuuksiin. Tässä työssä käsitellyt tutkimukset osoittavat, että ultra korkean lämpötilan keraamit voisivat olla potentiaalinen materiaalivaihtoehto passiivisille lämpösuojausjärjestelmille. Näiden materiaalien käyttöä puoltavia ominaisuuksia ovat esimerkiksi korkea sulamislämpötila, hyvä hapettumisenestokyky, ja kyky vastustaa ablaatiota. Myös ultrakorkean lämpötilan keraameihin pohjautuvat komposiitit osoittautuivat tässä työssä käsitellyissä tutkimuksissa käyttökelpoisiksi materiaaleiksi erityisesti hyvien mekaanisten ominaisuuksien ja hyvän termisen shokin keston vuoksi.