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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13135(2023) 이 기사 인용

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우주 탐사 임무는 대기권 진입 비행 중 우주선의 열 보호를 위해 절제용 열 차폐 장치에 의존합니다. 미래의 임무를 위해서는 헌신적인 연구가 필요하지만, 과학계는 항공우주에서 일반적으로 사용되는 절제 재료에 대한 접근이 제한되어 있습니다. 이 논문에서 우리는 실험실 실험에서 절제 재료에 대한 필요성을 제공하도록 설계된 탄소-페놀성 제거기인 HEFDiG 절제 연구 실험실 실험 재료(HARLEM)의 개발을 보고합니다. HARLEM은 폴리아크릴로니트릴 기반 탄소 섬유 프리폼과 페놀 함침을 위한 단순화된 가공 경로를 사용하여 제조됩니다. 우리는 슈투트가르트 대학 우주 시스템 연구소의 플라즈마 풍동 PWK1에서 수행된 아크제트 실험에서 HARLEM의 열 보호 성능을 특성화했습니다. 실험 중 사진 측량 및 열화상 측정 설정을 사용하여 표면 후퇴율과 온도를 각각 측정하여 신소재의 성능을 평가했습니다. 우리의 결과는 HARLEM의 열 보호 성능이 생산된 샘플의 유효 절제열 계산 및 주사 전자 현미경을 통해 입증된 바와 같이 다양한 아크젯 시설이나 기내에서 검증된 기존 탄소-페놀릭 제거 장치와 유사하다는 것을 보여줍니다. 탄소-페놀 제거 장치를 자체적으로 제조하면 제거 장치에 내장된 진단 기능을 추가할 수 있어 내부 압력에 대한 데이터를 수집하고 보다 정교한 열분해 분석 기술을 얻을 수 있습니다.

행성 대기에 진입하는 우주선은 높은 공기열 부하를 경험하므로 전용 열 보호 시스템이 필요합니다1,2. 11km/s보다 빠른 진입 속도에서는 우주선이 견뎌야 하는 극심한 열유속으로 인해 일반적으로 단열 열 차폐가 열 보호에 사용됩니다3. 절제라는 용어로 결합된 메커니즘과 이것이 열 차폐 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 철저한 이해는 열 보호 시스템을 최적화하고 가장 까다로운 우주 임무와 관련된 위험을 줄이는 데 중요합니다.

탄소-페놀 제거기는 최첨단 제거 재료이며 발견 임무3의 열 보호 시스템으로 자주 선택되었습니다. 그들은 절제와 높은 탄소 함량으로 인해 방사선 재방출4,5을 통해 많은 양의 열을 발산할 수 있습니다. 융제 재료의 성능을 평가하고 높은 엔탈피 흐름과의 복잡한 상호 작용을 연구하기 위해 연구자들은 플라즈마 풍동에서 대기 진입 조건을 재현합니다. 이 실험에서 생성된 데이터는 수치 모델을 검증하는 데 중요하며, 수치 모델은 열 차폐 재료를 설계하고 최적화하는 데 사용됩니다. 그러나 실험 중에 정확한 재료 매개변수를 얻는 것은 여전히 ​​어려운 일이며, 특히 내부 프로세스를 분석할 때 특수 진단 장비가 필요합니다. 연구의 질을 향상시키기 위해서는 이전에는 접근할 수 없었던 매개변수를 측정할 수 있는 보다 근본적인 재료 데이터와 새로운 진단 기술이 필요합니다.

진단 기술에는 재료 생산과 기기 구현이 모두 필요한 경우가 많으며 이는 복제하기 어려울 수 있습니다. 더욱이, 기존의 절제기를 제조하는 데 사용되는 처리 방법은 일반적으로 기업이나 정부 기관이 소유하고 독점하는 경우가 많기 때문에 공개 문헌에 일반적으로 공개되지 않습니다. 예를 들어, 탄소-페놀 제거기 PICA6,7,8의 개발을 설명하는 보고서는 해당 방법이 특허를 받았음에도 불구하고 복제가 가능하지 않습니다9,10. ASTERM, AQ61 및 ZURAM11을 포함한 기타 탄소-페놀 제거기와 AVCOAT, Cork P50, MA-25S, MonA, SLA-561 및 ACUSIL과 같은 기타 제거기 변형은 NASA를 포함한 다양한 조직이 소유한 독점 재료입니다. Ames Research Center, German Aerospace Center, Airbus SE, Amorim Cork Composites, Textron Inc., Peraton Inc. 및 Lockheed Martin Corp. 결과적으로 이러한 재료를 연구하는 연구 커뮤니티의 능력이 제한되어 있으며 이는 개발을 방해할 수 있습니다. 우주 탐사 임무를 위한 첨단 열 보호 시스템.