هنگامی که کاوشگر ماموریت گالیله در سال 1995 به اتمسفر سیارهی مشتری وارد شد دمایی در حدود دو برابر دمای سطح خورشید را تجربه کرد و برای محافظت محمولهاش در برابر این گرمای شدید از سپر حرارتی ساخته شده از کربن فنولیک استفاده شده بود. ناسا پس از آن ماموریتی نداشته که کاوشگری طی ماموریت در معرض چنین حرارتی قرار بگیرد. اما مطالعات اخیر سازمان ملی تحقیقات آمریکا (NRC) ناسا را مجاب ساخته که ارسال کاوشگر به سیارههای زهره و زحل را در دستور کار خود قرار دهد. برای رسیدن به سطح این سیارات سپرهای حرارتی قدرتمندی مورد نیاز است که در عین تحمل شرایط سخت آب و هوایی وزن کمتری نسبت به سپرهای کربن فنولیک داشته باشند.
شماتیک قطعات(چپ) و شکل کامل شدهی سپر حرارتی
برای مرتفع ساختن این نیاز، ناسا و شرکای صنعتیاش در حال توسعهی روش های نوآورانهای برای طراحی و ساخت یک سیستم محافظت حرارتی (TPS) با استفاده از تکنولوژیهای تجاری موجود هستند. این روش جدید که “تکنولوژی ساخت سپر حرارتی برای شرایط نامناسب محیطی” یا HEEET نام دارد از روش بافت سه بعدی برای تولید قطعات هواپیما با استفاده از مواد مرکب کربنی اسفاده میکند. برای تولید مواد مورد استفاده در سیستم TPS، فیبرهایی با ترکیبها و تراکم الیاف مختلف با دقت در یک سازهی 3 بعدی قرار میگیرند. مزیت بافت 3 بعدی نسبت به 2 بعدی اتصال مواد بافته شده به یکدیگر در 3 محور مختصات است که باعث مقاومتر شدن مواد ساخته شده نسبت به شرایط محیطی در ورود به جو سیاره میگردد. در مرحلهی بعد رزین به پنلهای ساخته شده تزریق میشود تا فیبرها در جای خود محکم شوند. با استفاده از ابزارهای پیشرفتهی مدلسازی، طراحی و ساخت برای بهینه سازی مواد ساخته شده، پروژه ی HEEET به معرفی نوع جدیدی از سپرهای حرارتی برای استفاده در گسترهی وسیعی از دماها منجر شده است.
بافت چندلایه با تراکم بالا در لایههای بیرونی و تراکم متوسط در لایههای درونی
تاثیرات مثبت استفاده از HEET:
با توجه به نوع ماموریت، در هنگام ورود به جو زهره و زحل شار حرارتی تا حداکثر 10000 وات بر سانتیمتر مربع و فشار اعمالی تا حداکثر 1000 کیلوپاسکال به سپر حرارتی وارد میشوند. بنابراین HEEET به نحوی طراحی میشود که در عین برخورداری از وزن کمتر نسبت به سپر کربن فنولیک مورد استفاده در ماموریتهای قبلی قادر به تحمل این شرایط باشد. روش بافت 3 بعدی علاوه بر افزایش مقاومت حرارتی، مقاومت مکانیکی سپر حرارتی را نیز افزایش میدهد.
آزمایش مادهی ساخته شده با تکنولوژی HEEET
برنامه های آتی:
تیم HEEET هم اکنون در حال بررسی طرحهای پیشنهادی برای پیش بینی گام بعدی پروژه است. برنامههای آتی نیازمند رشد این پروژه و فراگیری تکنولوژی لازم برای افزودن آن به ماموریتهای مورد نظر قبل از مرحلهی دوم تصمیم گیری میباشد. در مرحلهی دوم، توسعهی تکنولوژی کامل شده و طراحیهای مقدماتی آغاز میگردد. یکی از نقاط عطف پروژهی HEEET در سال 2015 عبارت بود از نشان دادن توانایی ساخت و تزریق رزین به یک نمونه صفحهی HEEET به مساحت یک جریب. علاوه بر این، تستهایی برای توسعهی مواد و بهینه سازی طراحی به منظور جلوگیری از ایجاد شکاف در ماده انجام شد.
حامیان مالی پروژه:
حمایت مالی از پروژه ی HEEET در سال 2013 با همکاری ادارهی علوم سیارهای (PSD) و ادارهی ماموریتهای تکنولوژی فضایی (STMD) برای تامین بودجهی مطالعاتی یک سالهی این پروژه آغاز شد. سپس در سال مالی 2014 بودجهی 4 سال آیندهی پروژهی مذکور به طور مشترک توسط STMD و سازمان ماموریتهای فضایی (SMD) تامین شد. شرکای صنعتی ناسا در این پروژه شرکتهای بالی ریبون میلز (Bally Ribbon Mills) در ایالت پنسیلوانیا و شرکت مواد فیبری (Fiber Materials Inc.) در ایالت مین میباشند.