关于太空隔热罩的真实想法

当航天器以高超音速重新进入地球大气层时，其防护隔热罩会暴露在最极端的条件下，包括超过 3,000 华氏度的温度。为了生存，防护罩依赖于特殊材料，这些材料在称为烧蚀的受控过程中吸收热量时会减少热量，牺牲隔热罩的外层来保护内部的车辆和乘员。

设计这些材料需要准确了解它们如何降解，但从微观层面观察这一过程，足够详细地获取有关材料的必要信息，一直很困难，迫使工程师依赖测试前和测试后的观察来开发计算模型。

在劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的先进光源（ALS），研究人员找到了一种实时观察消融的方法。

使用 X 射线断层扫描仪器中的模型环境独立控制温度、压力和气体混合物，创建逼真的不断变化的再夹带条件。调查结果来自 最近的研究 部分在 ALS 进行，工程师为太空任务（包括 NASA 最近的阿尔特弥斯任务）建模和完善热保护系统，提供了详细的延时 3D 过程图像。

“几乎所有美国宇航局的主要隔热罩材料都在先进光源中以这种方式进行了研究，包括来自阿耳忒弥斯和火星再入任务的材料。” – Vishnu Oruganti，ALS 用户。

伊利诺伊大学厄巴纳分校的博士后研究员 Vishnu Oruganti 表示：“直接观察隔热屏材料在使用这种技术加热时的表现对于大气渗透研究具有变革意义，因为它为我们提供了独特的见解，并帮助我们可视化导致烧蚀的内部结构变化。”美国宇航局位于休斯敦的约翰逊航天中心。 “几乎所有美国宇航局的主要隔热罩材料都在先进光源中以这种方式进行了研究，包括来自阿耳忒弥斯和火星再入任务的材料。”

烧焦的观看材料

作为与 ALS 长期合作的一部分，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和 NASA 的研究小组使用微型计算机断层扫描（称为 micro-CT）来观察一类称为超轻烧蚀器的隔热罩材料，该材料与 NASA 太空探测器中使用的类型相同。该团队比以往任何时候都更进一步推进该技术，将样品加热到 1,652 华氏度（高于材料开始分解的温度范围），并在一段时间内以微米尺度对它们进行成像。研究人员研究了两种商用烧蚀器SLA-220和SLA-561V，它们用于航天器背面的不同部位，并由不同的成分制成。利用微型CT技术，研究人员实时观察了类似于大气渗透的高温加热如何影响多相化学分解和孔隙率。

这些测量将为开发和验证预测模型提供数据，减少隔热罩性能的不确定性，改进任务规划，并最终帮助确保未来载人侦察任务的安全性和可靠性。

ALS 科学家 Liz Clark 表示：“我们可以在各种极端条件下对样品进行 3D 成像，例如热、冷、压力和应变，并且我们可以观察材料的内部结构，并详细了解它们在这些条件下特性变化时的内部结构。” “这次合作是这项技术的完美应用。在第一次阿耳忒弥斯任务之后，隔热罩的性能没有达到 NASA 通过计算方法预期的效果，他们使用 ALS 来检查这些隔热罩的材料，以更好地了解内部结构如何随着时间的推移而演变。”

生产形象

为了观察烧蚀体的演化，科学家必须在快速收集大面积的低分辨率代表性图像和获取高分辨率结构细节之间取得实验平衡。为了快速捕获大样本区域，同时保留精细的微观细节，研究人员使用了基于生成对抗网络的快速人工解析方法。

来自光源的广泛、强烈的光谱流使团队能够在短时间内快速运行大规模、低容量的扫描，以跟踪快速移动的结构变化。同时，切换到单波长光使他们能够在加热过程之前和之后拍摄静态样品的准确、高分辨率的照片。

通过对这些前后图像进行人工智能训练，他们能够叠加实验期间收集的整个实时图像序列，从而创建关于每种材料在整个加热过程中如何变化的完整高分辨率记录。

材料的高分辨率 3D 图像揭示了加热到极端高温时基质（灰色）、纤维（红色）和软木（红色）等特征的变化。 （图片来源：科琳·福斯特/先进光源）

人工智能增强图像揭示了两种隔热罩材料之间的惊人差异。 SLA-561V 含有软木 – 与酒瓶盖中用作结构填充物的天然材料相同。当加热时，软木塞会发生化学分解并消失，在整个材料中留下开放的空口袋。 SLA-220不含此类有机填料；相反，它的硅橡胶基质通过形成密集的、相互连接的通道分支网络来响应热量。

“这是一个很好的例子，说明多年的微调成像技术和集成人工智能的工作如何帮助我们生成高质量的数据并促进分析，从而在短时间内获得详细的科学见解。” – 莉兹·克拉克

这些不仅仅是视觉上的差异。当热量和气体在夹带条件下穿过材料时，开放和孤立的口袋与互连通道的网络不同，这些差异影响每种材料作为隔热罩的性能。

克拉克说：“这是一个很好的例子，说明多年来微调成像技术和集成人工智能的工作如何帮助我们生成高质量的数据并促进分析，从而在短时间内获得详细的科学理解。”

这些发现为工程师提供了以前从未有过的东西：直接测量隔热罩材料在进入大气的热条件下在微观层面上的行为，这加强了过去的观测研究，改进了模型开发，并允许任务安全返回。

该研究得到了美国宇航局空间技术研究所和美国宇航局空间技术研究生研究机会计划的支持。先进光源是美国能源部伯克利实验室的科学用户设施。