实时了解航天器隔热罩

要点

通过 ALS 和 NASA 长达十年的合作，研究人员正在研究被称为超轻烧蚀器的隔热材料如何降解，这为 NASA 航天器的设计提供了信息。
ALS 的研究为这一隐藏过程提供了新的详细图片，这极大地改善了工程师为太空任务（例如最近的阿耳忒弥斯任务）建模和设计隔热罩的方式。
通过将 X 射线扫描与人工智能训练的模型相结合，该团队成功地实时捕获了这些材料的微观分解。

当航天器以高超音速重新进入地球大气层时，其隔热防护罩会遇到极端条件，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降解时吸收热量，牺牲隔热罩的外层来保护车辆和乘员。

设计这些材料需要准确了解它们如何降解，但在微观层面观察这一过程，足够详细以捕获材料的必要信息，是一项挑战，迫使工程师依靠测试前和测试后的观察来开发计算模型。

在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的先进光源（ALS）中，研究人员找到了一种实时观察烧蚀的方法。

使用 X 射线断层扫描仪器中独立控制温度、压力和气体混合物的模型环境，重现真实的、不断变化的再入条件。调查结果来自最近的一项研究 ALS 的一部分提供了该过程的详细延时 3D 图像，以改进工程师为太空任务（包括 NASA 最近的阿尔忒弥斯任务）建模和设计热保护系统的方式。

“几乎所有美国宇航局主要的烧蚀隔热罩材料都已在先进光源中使用这种技术进行了研究，包括用于阿耳忒弥斯和火星进入任务的材料。” – Vishnu Oruganti，ALS 的使用者。

伊利诺伊大学博士后 Vishnu Oruganti 表示：“利用这项技术直接观察隔热材料在加热过程中如何降解，对于大气渗透研究来说具有变革意义，因为它为我们提供了独特的见解，并帮助我们可视化驱动烧蚀发生的内部结构变化。”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主要的烧蚀隔热罩材料都已在先进光源中使用这种技术进行了研究，包括用于阿耳忒弥斯和火星进入任务的材料。”

实时了解航天器隔热罩

观看材料燃烧

作为与 ALS 长期合作的一部分，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和 NASA 研究人员组成的团队使用原位 X 射线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 航天器上使用的类型相同。该团队比以往任何时候都更进一步地采用该技术，将样品加热到 1,652 华氏度（材料开始分解的温度范围的顶部），并在微米尺度的多个时间点对它们进行成像。研究人员研究了两种商用烧蚀器SLA-220和SLA-561V，它们用于航天器后壳的不同部分，并由不同的成分制成。通过微型 CT 技术，研究人员追踪了相当于大气再入的高温加热如何影响实时多相化学分解和孔隙率。

这些测量将有助于开发和验证预测模型，减少隔热罩性能的不确定性，改进任务规划，并确保未来载人探索任务的安全性和可靠性。

一名男子弯下腰，检查一个贴有瓷砖的大圆形盾牌。

ALS 科学家 Liz Clark 表示：“我们可以在各种极端条件下（例如热、冷、压力和张力）对样品进行 3D 成像，观察材料内部结构的演变，并详细了解其特性在这些条件下发生变化时的内部结构。” “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，当隔热罩的性能没有达到 NASA 通过计算方法所希望的效果时，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。”

生成成像

为了观察烧蚀器的进展，科学家们必须在以低分辨率快速收集大片代表性区域的图像和以高分辨率捕获结构细节之间进行实验权衡。为了快速捕获大样本区域，同时保留精细的微观细节，研究人员实施了一种由生成负网络驱动的基于人工智能的超分辨率方法。

光源发出的高强度广谱通量使团队能够在短时间内快速进行大体积、低分辨率扫描，以跟踪快速移动的结构变化。同时，改用单波长光束可以在加热过程之前和之后捕获静态样品的清晰、高分辨率快照。

通过在这些前后图像上训练人工智能，他们能够细化实验期间收集的整个实时图像序列，从而生成每种材料在加热过程中如何变化的完整高分辨率记录。

材料的超分辨率 3D 插图显示了加热到极端高温时基质（灰色）、纤维（红色）和软木（红色）等特性的变化。（图片来源：科林·福斯特/先进光源）

人工智能增强成像揭示了两种隔热罩材料之间的惊人对比。 SLA-561V 采用软木（与酒瓶塞中使用的天然材料相同）作为结构填充物。当加热时，软木塞会发生化学分解并消失，留下遍布整个材料的开放的空口袋。 SLA-220不含此类有机填料；相反，它的橡胶状硅基质通过形成密集的、相互连接的分支网络通道来响应热量。