Aeroescudo

Aeroescudo de la nau Viking 1

Un aeroescudo és un escut tèrmic que ajuda a desaccelerar i protegix un vehícul espacial de la pressió, la calor i els possibles rebujos creats pel arrastre durant la reentrada atmosfèrica. Els seus components principals consistixen en un escut tèrmic (la part davantera) i una carcassa atrassera. L'escut tèrmic absorbix la calor causada per la compressió de l'aire front a la nau espacial durant la seua entrada a l'atmòsfera. La closca atrassera transporta la càrrega que s'entrega, junt en components importants com un paracaigudes, motors d'eixides i dispositius electrònics de monitoreo com una unitat de medició inercial que monitorea l'orientació de la closca durant el descens en paracaigudes llent.

El seu propòsit és ser utilisat durant el procés EDL, o «entrada, descens i aterrisage», de la missió d'una nau espacial. Primer, el aeroescudo desaccelera la nau espacial a mida que penetra en l'atmòsfera del planeta. L'escut tèrmic absorbix la fricció resultant. Durant el descens, es desplega el paracaigudes i se solta l'escut tèrmic. Les eixides ubicades en la closca atrassera s'inicien per a ajudar a disminuir el descens de la nau espacial. Les bosses d'aire també estan infladas per a amortiguar l'impacte. La nau espacial rebota en la superfície del planeta directament despuix del primer impacte. Els pétals del mòdul d'aterrisage de la nau espacial es despleguen en acabant de que les bosses d'aire es desinflan i retrauen. La comunicació a lo llarc de tot este procés es transmet d'anada i regrés des del control de la missió i la nau espacial real a través d'antenes de baix guany que estan unides a la carcassa atrassera i sobre sí mateixa. A lo llarc de les etapes d'entrada, descens i aterrisage, s'envien tons de tornada a la Terra per a comunicar l'èxit o el fracàs de cada u d'estos passos crítics.

Els aeroescudos són un component clau de les sondes espacials que deuen aterrisar intactes en la superfície de qualsevol objecte en atmòsfera. S'han utilisat en totes les missions que tornen càrregues útils a la Terra (si es considera el sistema de protecció tèrmica del transbordador espacial com un aeroescudo). També s'utilisen per a totes les missions d'aterrisage a Mart, Venus, Titán i (en el cas més extrem) la sonda Galileo a Júpiter.

Components

El aeroescudo consta de dos components principals: l'escut tèrmic, o part davantera, que es troba en la part davantera del aeroescudo, i la carcassa atrassera (backshell), que es troba en la part posterior del aeroescudo. L'escut tèrmic del aeroescudo està orientat cap a la direcció de l'ariet (cap a avant) durant l'entrada atmosfèrica d'una nau espacial, lo que li permet absorbir l'alta calor causada per la compressió de l'aire front a la nau. La carcassa atrassera actua com un finalizador per a l'encapsulación de la càrrega útil i generalment conté un paracaigudes, dispositius pirotècnics junt en els seus components electrònics i bateries, una unitat de medició inercial i un atre hardware necessari per a la seqüència d'entrada, descens i aterrisage de la missió específica. El paracaigudes està ubicat en el vèrtiç de la closca atrassera i ralentisa la nau espacial durant l'EDL. El sistema de control pirotècnic llibera dispositius com a femelles, eixides i el morter de paracaigudes. L'unitat de medició inercial informa l'orientació de la carcassa atrassera mentres es balanceja baix del paracaigudes. Els retrocohetes, si estan equipats, poden ajudar en el descens i aterrisage de la terminal del vehícul espacial; com a alternativa o adicionalment, un mòdul d'aterrisage pot tindre retrocohetes montats en el seu propi cos per a us terminal de descens i aterrisage (en acabant de que la closca atrassera s'haja rebujat). Es poden equipar atres eixides per a proporcionar força horisontal a la closca atrassera, ajudant a orientar-ho a una posició més vertical durant la combustió del retrocohete principal.

Factors de disseny

L'objectiu de la missió d'una nau espacial determina quins requisits de vol es necessiten per a garantisar l'èxit de la missió. Estos requisits de vol són la desacceleració, el calfament i la precisió de l'impacte i l'aterrisage. Una nau espacial deu tindre un valor màxim de desacceleració lo suficientment baix per a mantindre intactes els punts més dèbils del seu vehícul, pero lo suficientment alt per a penetrar en l'atmòsfera sense rebotar. L'estructura de la nau espacial i la massa de la càrrega útil afecten la desacceleració màxima que pot soportar. Esta força està representada per "g", o l'acceleració gravitacional de la Terra. Si la seua estructura està lo suficientment ben dissenyada i feta de material robust (com l'acer), llavors pot soportar una força major. No obstant, es deu considerar la càrrega útil. El fet de que l'estructura de la nau espacial puga soportar alts nivells de gravetat no significa que la seua càrrega útil puga fer-ho. Per eixemple, una càrrega útil d'astronautes solament pot soportar 12 g, o 12 voltes el seu pes. Els valors que superen esta llínea de base causaran la mort. També deu ser capaç de soportar altes temperatures causades per l'immensa fricció resultant d'entrar a l'atmòsfera a velocitat hipersónica. Finalment, deu poder penetrar una atmòsfera i aterrisar en un terreny en precisió, sense perdre el seu objectiu. Un àrea d'aterrisage més restringida requerix una precisió més estricta. En tals casos, una nau espacial deurà ser més aerodinàmica i posseirà un àngul de trayectòria de reentrada més pronunciat. Estos factors es combinen per a afectar el corredor de reentrada, l'àrea en la que deu viajar una nau espacial per a evitar cremar-se o rebotar fòra de l'atmòsfera. Tots estos requisits anteriors es complixen per mig del disseny i l'ajust de l'estructura i trayectòria d'una nau espacial.

La dinàmica general dels aeroescudos està influenciada per les forces d'inèrcia i d'arrastre, com es definix en esta equació: ß = m/CdA a on m és la massa del aeroescudo i les seues respectives càrregues i CdA és la força d'arrastre que un aeroescudo pot generar-se durant una condició de corrent lliure. En general, β es definix com la massa dividida per la força d'arrastre (massa per unitat d'àrea d'arrastre). Una massa més alta per unitat d'àrea d'arrastre fa que l'entrada, el descens i l'aterrisage del aeroescudo ocórrega en punts baixos i densos de l'atmòsfera i també reduïx la capacitat d'elevació i el marge de la llínea de temps per a l'aterrisage. Els factors que aumenten durant l'EDL inclouen la càrrega i la velocitat de calor, lo que fa que el sistema s'adapte en força a l'aument de les càrregues tèrmiques. Esta situació reduïx la capacitat de massa útil d'aterrisage d'entrada, descens i aterrisage perque un aument en la càrrega tèrmica conduïx a una estructura de soport i un sistema de protecció tèrmica (TPS) més pesats del aeroescudo. L'estabilitat estàtica també deu tindre's en conte, ya que és necessari mantindre una altitut d'alta resistència. Esta és la raó per la que es requerix una gobanella aerodinàmica agranada en lloc d'un romo; la forma anterior assegura l'existència d'este factor pero també reduïx l'àrea d'arrastre. Per lo tant, existix una compensació resultant entre resistència i estabilitat que afecta el disseny de la forma d'un aeroescudo. La relació elevació-arrastre també és un atre factor que deu tindre's en conte. El nivell ideal per a una ració d'elevació a arrastre és distint de zero.

Referències

 

• «[1]». Consultat el 2007-02-17.
• «[2]». Consultat el 2007-02-17.
• Axdahl. «Flight Dynamics of an Aeroshell Using an Attached Inflatable Aerodynamic Decelerator». NASA.gov. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Consultat el 12 d'abril de 2015.