Теплозащитные экраны — один из ключевых элементов любого космического аппарата, которому предстоит входить в атмосферу. Материал, из которого они изготовлены, имеет решающее значение. Однако до недавнего времени улучшать эти материалы было сложно: исследователи обычно располагали лишь снимками «до» и «после» того, как экран выполнит свою задачу и аппарат благополучно вернётся на Землю. Ситуация изменилась благодаря совместной работе NASA и Advanced Light Source (ALS, усовершенствованный источник синхротронного излучения), расположенного в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Это сотрудничество позволило учёным наблюдать за разрушением теплозащитного экрана в режиме реального времени.
Разрушение — важная часть работы теплозащиты. Этот процесс, который технически называют «абляцией», позволяет тепловой энергии входа в атмосферу переходить в частицы материала, отделяющиеся от аппарата и уносящие эту энергию с собой. Такой подход давно стал стандартом для теплозащитных экранов — от капсул программы «Меркурий» до корабля Orion, используемого в миссиях Artemis.
У этой системы есть и очевидные недостатки. Абляция необратима, и материал, как правило, приходится заменять после каждого использования. Кроме того, процесс крайне трудно моделировать: например, в ходе недавнего беспилотного испытательного полёта Artemis I обнаружилось неожиданное обугливание и даже неравномерная потеря абляционного материала, чего не предсказывали многочисленные симуляции, проведённые до миссии. Именно такая непредсказуемая и неравномерная физика может привести к потере оборудования, хотя Artemis I, к счастью, успешно приводнился в Тихом океане.
Чтобы устранить этот пробел в моделировании, учёным нужно понять, что происходит при нагреве материалов до 1650 ℃ во время входа в атмосферу, а не просто изучать последствия. Здесь и пригодился ALS. Специалисты LBNL (Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли) создали специальную камеру, в которой материал подвергается воздействию температур до 900 ℃ — именно при такой температуре теплозащитный материал начинает разрушаться. Камера также позволяла менять давление и состав атмосферных газов, имитируя некоторые особенности процесса входа в атмосферу, хотя один важный параметр — скорость воздушного потока — в её возможностях, судя по всему, отсутствовал.
Главная особенность ALS — не специальная испытательная камера, а система визуализации. Пока образцы теплозащитного материала находились внутри камеры, их исследовали методом рентгеновской микро-компьютерной томографии (micro-CT). Иными словами, команда могла получать трёхмерные структурные изображения материала прямо в момент его активного разрушения. По словам Вишну Оруганти, бывшего аспиранта Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, а ныне сотрудника Космического центра Джонсона NASA и одного из ведущих исследователей проекта, «почти каждый основной абляционный материал теплозащиты NASA был изучен с помощью этой методики в Advanced Light Source, включая материалы, связанные с миссиями Artemis и входом в атмосферу Марса». Среди них были два известных абляционных материала, показавших сильно различающиеся свойства деградации.
SLA-561V содержит в качестве натурального наполнителя особый вид пробкового материала. Исследователи отметили, что частицы пробки в этом экране быстро испаряются при нагреве, создавая полые пустоты в материале. В свою очередь SLA-220 — материал на основе силикон-эластомерной матрицы — разрушается, образуя набор соединённых между собой ветвящихся микроканалов, что позволяет горячим газам быстро выходить по всему экрану. Эти различия принципиально влияют на поведение аппарата при входе в атмосферу, но добиться такого понимания было непросто. Перед исследователями встал классический вопрос визуализации: что важнее — скорость или точность? Если делать очень детальные снимки разрушающегося материала, изображения будут поступать настолько медленно, что можно пропустить часть изменений. Если же снимать быстро, придётся пожертвовать разрешением, показывающим изменение структуры.
Чтобы решить эту проблему, учёные обратились к искусственному интеллекту — в частности, обучили алгоритм генеративно-состязательной сети (GAN, generative adversarial network). Это позволило проводить «скорострельные» сканирования среднего разрешения, а затем преобразовывать эти слегка менее детальные изображения в высокоразрешённые быстрые трёхмерные записи материала в моменты его деформации, обугливания и образования пустот. Пока исследователи не обновили симуляции, которыми инженеры пользуются для расчёта ожидаемого поведения теплозащитных экранов. Они также не анализировали экраны коммерческих аппаратов, таких как Dragon (использующий фенол-импрегнированный углеродный аблятор PICA-X) или многоразовые керамические плитки Starship — обе технологии принадлежат SpaceX. Однако, учитывая полезность этой системы визуализации, возможно, уже скоро компания, отвечающая за подавляющее большинство входов в атмосферу сегодня, постучится в двери LBNL.