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Images chaudes de la navette spatiale
Des chercheurs de la NASA utilisent un nouveau système d'imagerie thermique à bord d'un avion de la Marine pour capturer des images de modèles de chaleur qui illuminent la surface de la navette spatiale lors de son retour dans l'atmosphère terrestre. Les chercheurs ont jusqu'à présent imagé trois missions de navette et traitent les données pour créer des cartes de température de surface en 3D. Les données permettront aux ingénieurs de concevoir des systèmes pour protéger les futurs engins spatiaux de la chaleur torride (jusqu'à 5 500 degrés Celsius) observée lors de la rentrée.
Corps chaud: Ces images thermiques ont été prises de la navette spatiale Découverte le 11 septembre. Les données de température ont été utilisées pour créer les images en couleur (milieu et bas), le bleu étant les températures les plus basses et le rouge les plus élevées.
Nous voulons comprendre les températures maximales, quand elles se produisent et où, car cela détermine le type de matériau et la taille d'un système de protection, explique Thomas Horvath, chercheur principal du projet, appelé Hypersonic Thermodynamic InfraRed Measurements (HYTHIRM), à Centre de recherche Langley à Hampton, en Virginie.
La NASA est devenue plus préoccupée par la sécurité et le développement d'outils pour inspecter et protéger la navette depuis la navette spatiale de 2003 Colombie catastrophe, lorsque les dommages à l'aile de la navette ont compromis son bouclier résistant à la chaleur, lui faisant perdre son intégrité structurelle et se briser lors de la rentrée, tuant les sept astronautes à bord. Horvath, également membre de l'équipe de soutien du Commission d'enquête sur les accidents de Colombie (CAIB), affirme que le projet HYTHIRM a été développé en réponse à la Colombie accident.
Je pense certainement que [les chercheurs] peuvent apprendre quelque chose sur les causes de l'échauffement, dit Douglas Osheroff , professeur de physique et de physique appliquée à l'Université de Stanford et membre du CAIB. Il ajoute que les images thermiques pourraient également être utilisées comme outil de diagnostic pour vérifier l'intégrité des tuiles des navettes lors de la rentrée. Actuellement, les ingénieurs doivent inspecter manuellement les tuiles au retour de la navette.
Pour imager la navette, les chercheurs ont utilisé un nouveau système optique appelé Cast Glance à bord d'un avion Navy P-3 Orion. Le système est principalement utilisé par le ministère de la Défense pour les missions de défense antimissile et a donc dû être légèrement modifié pour le projet de la NASA. Les chercheurs de la Marine ont ajouté une caméra vidéo haute résolution standard et l'ont ajustée pour filtrer la lumière infrarouge. Ils ont ensuite étalonné les capteurs optiques de Cast Glance afin qu'en mesurant le rayonnement infrarouge de la navette, ils puissent calculer les températures de surface.
L'avion de la Navy vole à moins de 37 kilomètres de la navette spatiale lorsque celle-ci se déplace à des vitesses comprises entre deux et trois miles par seconde, acquérant huit minutes ininterrompues de données : environ 10 000 à 15 000 images pour chaque mission.
Les chercheurs se sont concentrés sur le ventre de la navette, qui est recouvert d'environ 10 000 tuiles de protection thermique. Les zones de chauffe les plus élevées, près du nez et le long du bord d'attaque de chaque aile, sont constituées d'un matériau appelé carbone-carbone renforcé (RCC). Alors que la navette repousse les molécules d'air, explique Deborah Tomek, chef de projet chez HYTHIRM, une couche limite ou une région protectrice, similaire à l'isolation, se forme autour de la navette où les températures se situent entre 1 093 et 1 649 degrés Celsius. Juste à l'extérieur de cette couche limite, les températures peuvent atteindre 5 500 degrés.
Tout dommage aux tuiles, ou une saillie ou une bosse sur le ventre de la navette, peut provoquer une rupture de la couche limite et permettre une chaleur extrême. Les remplisseurs d'espaces sont particulièrement préoccupants, des morceaux de tissu enduit de céramique de l'épaisseur d'une feuille de papier qui s'insèrent entre les carreaux pour fournir un coussin, qui sont connus pour dépasser . (La NASA, cependant, dit que les charges n'imposent pas de problème de sécurité.)
Les chercheurs de Langley ont photographié trois missions de navette : Découverte le 28 mars ( STS-119 ); Atlantide le 24 mai ( STS-125 ); et Découverte encore le 11 septembre ( STS-128 ). Ils ont également mené deux petites expériences de recherche en vol. Nous avons ajouté une petite bosse à Découverte 's, environ un quart de pouce, pour mieux comprendre ce qu'on appelle une transition de couche limite ou un voyage dans les champs d'écoulement, explique Tomek. Les chercheurs ont également recouvert deux des tuiles d'un matériau en cours de développement pour le bouclier thermique du véhicule d'exploration de l'équipage Orion.
Les chercheurs commencent tout juste à traiter toutes les données collectées dans des cartes de température de surface en 3D, qu'ils compareront avec les mesures des capteurs thermiques sur le ventre de la navette et avec des modèles numériques de dynamique des fluides. Horvath dit qu'ils présenteront leurs résultats lors d'une conférence en janvier 2010.
Cependant, les chercheurs ont déjà vu des résultats inattendus. Une petite imperfection, peut-être aussi petite qu'un dixième de pouce, du côté opposé à la bosse volontairement placée sur Découverte , a créé des températures élevées dans une zone beaucoup plus grande que ce que vous voyez normalement, explique Horvath.
Osheroff dit qu'il est intéressé de voir si l'analyse trouve des résultats différents pour différents orbiteurs. Par example, Colombie a été la première navette construite et pèse 20 000 livres de plus que les autres orbiteurs. Les modèles de chauffage dépendent de l'attitude ou de l'orientation de l'orbiteur lors de la rentrée, il serait donc avantageux d'effectuer des tests pour au moins deux vols de chaque orbiteur.
Il ne reste que six vols de navette spatiale avant que les orbiteurs ne se retirent. Horvath dit que les chercheurs espèrent pouvoir continuer à imaginer les missions restantes, mais l'approbation finale est toujours en attente. Notre capacité à prédire avec précision les données thermiques aura un impact profond sur la conception des nouveaux véhicules, dit-il.