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Imágenes del transbordador espacial caliente
Los investigadores de la NASA están utilizando un novedoso sistema de imágenes térmicas a bordo de un avión de la Marina para capturar imágenes de patrones de calor que iluminan la superficie del transbordador espacial cuando regresa a través de la atmósfera terrestre. Hasta ahora, los investigadores han obtenido imágenes de tres misiones de lanzadera y están procesando los datos para crear mapas de temperatura de superficie en 3-D. Los datos permitirán a los ingenieros diseñar sistemas para proteger las futuras naves espaciales del calor abrasador (hasta 5.500 grados Celsius) que se observa durante la reentrada.
Cuerpo caliente: Estas imágenes térmicas fueron tomadas del transbordador espacial. Descubrimiento el 11 de septiembre. Se utilizaron datos de temperatura para hacer las imágenes en color (centro e inferior), siendo el azul las temperaturas más bajas y el rojo las más altas.
Queremos entender las temperaturas máximas, cuándo ocurren y dónde, porque eso determina el tipo de material y el tamaño de un sistema de protección, dice Thomas Horvath, investigador principal del proyecto, llamado Mediciones infrarrojas termodinámicas hipersónicas (HYTHIRM), en Centro de Investigación Langley en Hampton, VA.
La NASA se ha preocupado más por la seguridad y ha desarrollado herramientas para inspeccionar y proteger el transbordador desde el transbordador espacial de 2003. Columbia desastre, cuando el daño al ala del transbordador comprometió su escudo resistente al calor, causando que perdiera la integridad estructural y se rompiera durante el reingreso, matando a los siete astronautas a bordo. Horvath, también miembro del equipo de apoyo del Junta de Investigación de Accidentes de Columbia (CAIB), dice que el proyecto HYTHIRM se desarrolló en respuesta a la Columbia accidente.
Ciertamente creo que [los investigadores] pueden aprender algo sobre las causas del calentamiento, dice Douglas Osheroff , profesor de física y física aplicada en la Universidad de Stanford y miembro del CAIB. Agrega que las imágenes térmicas también podrían usarse como una herramienta de diagnóstico para verificar la integridad de las baldosas de los transbordadores durante el reentrada. Actualmente, los ingenieros deben inspeccionar manualmente las baldosas al regreso del transbordador.
Para obtener imágenes del transbordador, los investigadores utilizaron un novedoso sistema óptico llamado Cast Glance a bordo de un avión P-3 Orion de la Armada. El sistema es utilizado principalmente por el Departamento de Defensa para misiones de defensa antimisiles y, por lo tanto, tuvo que ser modificado ligeramente para el proyecto de la NASA. Los investigadores de la Marina agregaron una cámara de video estándar de alta resolución y la ajustaron para filtrar la luz infrarroja. Luego calibraron los sensores ópticos de Cast Glance para que, midiendo la radiación infrarroja del transbordador, pudieran calcular las temperaturas de la superficie.
El avión de la Armada vuela a 37 kilómetros del transbordador espacial cuando este último viaja a velocidades de entre dos y tres millas por segundo, adquiriendo ocho minutos ininterrumpidos de datos: aproximadamente de 10,000 a 15,000 imágenes para cada misión.
El enfoque de los investigadores fue la parte más vulnerable de la lanzadera, que está cubierta por unas 10.000 baldosas de protección térmica. Las áreas de mayor calentamiento, cerca del morro y a lo largo del borde de ataque de cada ala, están hechas de un material llamado carbono-carbono reforzado (RCC). A medida que el transbordador empuja las moléculas de aire fuera del camino, dice Deborah Tomek, gerente de proyecto de HYTHIRM, se forma una capa límite o región protectora, similar al aislamiento, alrededor del transbordador donde las temperaturas están entre 1.093 y 1.649 grados Celsius. Justo fuera de esa capa límite, las temperaturas pueden elevarse a unos sofocantes 5.500 grados.
Cualquier daño a las baldosas, o una protuberancia o un golpe en la parte inferior de la lanzadera, puede causar una ruptura en la capa límite y permitir el calor extremo. De particular interés son los rellenos de huecos, piezas de tela revestida de cerámica del grosor de una hoja de papel que encajan entre las baldosas para proporcionar amortiguación, que han sido conocidos por sobresalir . (La NASA, sin embargo, dice que los rellenos no imponen un problema de seguridad).
Los investigadores de Langley tomaron imágenes de tres misiones de lanzadera: Descubrimiento el 28 de marzo STS-119 ); Atlantis el 24 de mayo ( STS-125 ); y Descubrimiento de nuevo el 11 de septiembre ( STS-128 ). También llevaron a cabo dos pequeños experimentos de investigación de vuelo. Agregamos una pequeña protuberancia a Descubrimiento El ala, de aproximadamente un cuarto de pulgada, para comprender mejor lo que se llama transición de capa límite o viaje en los campos de flujo, dice Tomek. Los investigadores también recubrieron dos de los mosaicos con un material que se está desarrollando para el escudo térmico del vehículo de exploración de la tripulación Orion.
Los investigadores apenas están comenzando a procesar todos los datos recopilados en mapas de temperatura de la superficie en 3-D, que compararán con las mediciones de los sensores térmicos en el vientre del transbordador y con modelos de dinámica de fluidos computacionales. Horvath dice que presentarán sus resultados en una conferencia en enero de 2010.
Sin embargo, los investigadores ya han visto algunos resultados inesperados. Una pequeña imperfección, posiblemente tan pequeña como una décima de pulgada, en el lado opuesto al bulto colocado intencionalmente en Descubrimiento El ala generó altas temperaturas en un área mucho más grande de lo que normalmente se ve, dice Horvath.
Osheroff dice que está interesado en ver si el análisis encuentra resultados diferentes para diferentes orbitadores. Por ejemplo, Columbia fue el primer transbordador construido y pesa 20.000 libras más que los otros orbitadores. Los patrones de calentamiento dependen de la actitud u orientación del orbitador durante la reentrada, por lo que sería beneficioso realizar pruebas para al menos dos vuelos de cada orbitador.
Solo quedan seis vuelos de transbordadores espaciales antes de que se programe la retirada de los orbitadores. Horvath dice que los investigadores esperan poder seguir obteniendo imágenes de las misiones restantes, pero la aprobación final aún está pendiente. Nuestra capacidad para predecir con precisión los datos térmicos tendrá un impacto profundo en los diseños de vehículos nuevos, dice.