Tepelný štít
![](http://178.128.105.246/content-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1e/ISS-11_Discovery_heat_shield_photograph.jpg/220px-ISS-11_Discovery_heat_shield_photograph.jpg)
Tepelný štít (obecněji tepelná ochrana) je ochranná vrstva umělého kosmického tělesa (například kosmické lodi) nebo balistické střely, chránící před účinky aerodynamického ohřevu při sestupu atmosférou Země nebo jiné planety.[1][2][3]
Využívá se v letectví a kosmonautice při brzdění návratových nebo přistávacích pouzder. Při návratu z nízké oběžné dráhy se typický špičkový tepelný tok v rázové vlně pohybuje kolem 500 kW/m2, u meziplanetárních letů je to několik MW/m2.[4][5] Úlohou tepelného štítu je zabránit přestupu tepla z rázové vlny na kosmické těleso.
Systémy tepelné ochrany lze rozdělit například na:[6]
- pasivní (tepelný rezervoár, radiativní, izolační, ablativní) – jediné dnes používané pro kosmické lodě
- poloaktivní a aktivní (chlazení tepelnými trubicemi, výparníkové chlazení, cirkulační chlazení, aerodynamické chlazení mezní vrstvy) – navrženo zejména pro scramjety, chlazení mezní vrstvou se používá pro chlazení stěn spalovací komory a trysky raketových motorů.
Pasivní tepelná ochrana
[editovat | editovat zdroj]Ablativní chlazení
[editovat | editovat zdroj]Pracuje na principu vytvoření chladnější mezivrstvy proudících par mezi rázovou vlnou a povrchem štítu. Ablativní tepelný štít je vyroben z materiálu s nízkou tepelnou vodivostí a vysokým měrným výparným teplem. Při průchodu atmosférou za vysoké hypersonické rychlosti se povrchová vrstva štítu částečně taví a odpařuje a teplo vznikající v rázové vlně je tak odneseno proudem plynů, jimiž se těleso pohybuje. Lze je navrhnout i pro velmi vysoké tepelné zátěže, většinou na jedno použití. Paradoxně, při příliš nízkých tepelných zátěžích (kdy nedojde k odpařování a štít pak pracuje jen jako izolace) může ochranná funkce selhat.
Příklady ablativních materiálů:[7]
- pryskyřice (hl. fenolové) – nejstarší tepelné štíty, např. u lodi Vostok
- FM5055 – fenolová pryskyřice s uhlíkovým plnivem, použita např. u atmosférického pouzdra sondy Galileo (rekordní vstupní rychlost – 47 km/s, rekordní tepelný tok – až 300 MW/m2[8][4])
- AVCOAT – epoxidové a fenol-formaldehydové pryskyřice se skleněným plnivem, použit u lodí Apollo
- SLA561-V – lehká tepelná ochrana pro vyšší tepelnou zátěž, poprvé použita na sondách Viking
- SIRCA – keramický ablátor impregnovaný silikonem, strojově dobře obrobitelný
- PICA/PICA-X – uhlíková vlákna ve fenolové pryskyřici, použito např. u sondy Stardust nebo MSL. Varianta PICA-X může být pro návrat z nízké oběžné dráhy Země použita i opakovaně (např. u lodi Dragon).
Tepelný rezervoár (kapacitní tepelná ochrana)
[editovat | editovat zdroj]Principem tohoto typu tepelné ochrany je pohlcení příchozího tepla v materiálu štítu tak, aby se nedostalo ve škodlivé míře k nosným strukturám kosmické lodě. Tato funkce je obsažena ve všech typech tepelných štítů, v "čisté" podobě byla použita jen v programu suborbitálních letů Mercury-Redstone (beryliová "houba") nebo u některých jaderných hlavic (např. americké Mk.2 s měděným rezervoárem).[9] Problémem těchto tepelných štítů je především velká hmotnost.
Radiativní chlazení
[editovat | editovat zdroj]Tok zářivé tepelné energie z povrchu roste se čtvrtou mocninou teploty (Stefanův–Boltzmannův zákon). Materiál tepelného štítu tedy může značnou část tepla z plynu zahřátém rázovou vlnou vyzářit, ať už okamžitě nebo postupně (slouží-li štít zároveň jako tepelný rezervoár). Tento princip chlazení se uplatňuje zejména např. na nose a náběžných hranách raketoplánů z uhlík-uhlíkových kompozitů, kde teplota při návratu přesahuje 1500 °C. Jsou vyvíjeny vysokoteplotní slitiny a keramiky na bázi zirkonia a hafnia.[10]
Izolační ochrana
[editovat | editovat zdroj]Materiál tepelného štítu funguje zároveň jako izolace nosné konstrukce pod ním. Zejména na místech, kde je teplota povrchu poněkud nižší, lze využít materiálů s extrémně malou tepelnou vodivostí, jako jsou například u raketoplánu dlaždice z křemenných vláken (do 1260 °C) nebo speciální tkanina (Nomex, do 370 °C).[11]
Tvar tepelného štítu
[editovat | editovat zdroj]I když nejlepší hypersonické vlastnosti mají tělesa s ostrými hranami, nelze je zatím prakticky použít pro tělesa vracející se z oběžné dráhy. Tepelný tok do čela letícího tělesa je menší u těles "tupých", díky větší vzdálenosti rázové vlny od povrchu tělesa (tepelný tok je nepřímo úměrný odmocnině z poloměru zakřivení povrchu, teorii vypracoval roku 1953 Harry Julian Allen).[12]
Provedení tepelného štítu
[editovat | editovat zdroj]Tepelný štít je obvykle pevnou součástí tělesa. Může být buď nanesen plošně přímo na povrch dopravního prostředku (Vostok), na jeho odhazovací část (Sojuz) nebo skládán z menších částí (raketoplán). Pro nižší rychlosti lze použít jako tepelnou ochranu i speciální nátěry (X-15). Testovány byly i tepelné štíty nafukovací.[13][14]
Reference
[editovat | editovat zdroj]- ↑ [1]Článek Družice a sondy na laik.kosmo.cz
- ↑ [2]Tepelná ochrana kosmických lodí při letu atmosférou, přepis z L+K 16/1978
- ↑ [3]Petr Lála, Antonín Vítek, Malá encyklopedie kosmonautiky, Mladá fronta, Praha 1982
- ↑ a b [4] Archivováno 6. 4. 2013 na Wayback Machine. Coming home:reentry and recovery from space, R.D.Launius, D.R.Jenkins, NASA, 2011
- ↑ [5] Archivováno 19. 3. 2015 na Wayback Machine.Returning from Space:Re-entry, R.Motion, FAA
- ↑ [6] Fifty years of hypersonics: where we’ve been, where we’re going, John J. Bertin, Russell M. Cummings, USAF Academy
- ↑ [7] Thermal Protection System Technologies for Enabling Future Sample Return Missions, E.Venkatapathy aj., NASA JPL, 2010
- ↑ [8] Galileo Probe Heat Shield Ablation Experiment, F.S.Milos, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 34, No. 6 (1997), pp. 705-713. doi: 10.2514/2.3293
- ↑ [9] "Heat Sink Versus Ablation" v "This New Ocean: A History of Project Mercury", L.S.Swenson Jr., J.M.Grimwood, C.C.Alexander, NASA, 1989
- ↑ [10] Archivováno 12. 3. 2014 na Wayback Machine.Thermal Protection System (TPS) and Materials, NASA
- ↑ [11] Archivováno 15. 7. 2009 na Wayback Machine.Space Shuttle Orbiter Systems: Thermal Protection System, NASA
- ↑ [12]Hypersonics and the Transition to Space, NASA
- ↑ [13]Inflatable Re-Entry Technologies: Flight Demonstration and Future Prospects, 2000
- ↑ [14]NASA Launches New Technology: An Inflatable Heat Shield, 17.8.2009
Externí odkazy
[editovat | editovat zdroj]Obrázky, zvuky či videa k tématu Tepelný štít na Wikimedia Commons