L'un des aspects les plus difficiles de l'exploration spatiale et de la conception des vaisseaux spatiaux est la planification de la rentrée. Même dans le cas de planètes à atmosphère mince comme Mars, l'entrée dans l'atmosphère d'une planète est connue pour provoquer beaucoup de chaleur et de friction. Pour cette raison, les vaisseaux spatiaux ont toujours été équipés de boucliers thermiques pour absorber cette énergie et garantir que les vaisseaux spatiaux ne s'écraseront pas ou ne brûleront pas lors de leur rentrée.
Malheureusement, les engins spatiaux actuels doivent s'appuyer sur d'énormes boucliers gonflables ou déployés mécaniquement, qui sont souvent lourds et compliqués à utiliser. Pour résoudre ce problème, un étudiant au doctorat de l'Université de Manchester a développé un prototype de bouclier thermique qui s'appuierait sur les forces centrifuges pour rigidifier les matériaux souples et légers. Ce prototype, le premier du genre, pourrait réduire le coût des voyages dans l'espace et faciliter les futures missions vers Mars.
Le concept a été proposé par Rui Wu, un étudiant au doctorat de la Manchester School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering (MACE). Il était accompagné de Peter C.E. Roberts et Carl Driver - maître de conférences en ingénierie spatiale et maître de conférences au MACE, respectivement - et Constantinos Soutis de l'Institut de recherche aérospatiale de l'Université de Manchester.
Pour le dire simplement, les planètes avec des atmosphères permettent aux vaisseaux spatiaux d'utiliser la traînée aérodynamique pour ralentir en vue de l'atterrissage. Ce processus crée une énorme quantité de chaleur. Dans le cas de l'atmosphère terrestre, des températures de 10 000 ° C (18 000 ° F) sont générées et l'air autour de l'engin spatial peut se transformer en plasma. Pour cette raison, les engins spatiaux nécessitent un bouclier thermique monté à l'avant qui peut tolérer une chaleur extrême et est de forme aérodynamique.
Lors du déploiement sur Mars, les circonstances sont quelque peu différentes, mais le défi reste le même. Alors que l'atmosphère martienne est inférieure à 1% de celle de la Terre - avec une pression de surface moyenne de 0,636 kPa par rapport à 101,325 kPa - les engins spatiaux nécessitent toujours des boucliers thermiques pour éviter les brûlures et transporter de lourdes charges. La conception de Wu résout potentiellement ces deux problèmes.
La conception du prototype, qui consiste en un bouclier en forme de jupe conçu pour tourner, cherche à créer un bouclier thermique qui peut répondre aux besoins des missions spatiales actuelles et futures. Comme Wu l'a expliqué:
«Les engins spatiaux pour les futures missions doivent être plus grands et plus lourds que jamais, ce qui signifie que les boucliers thermiques deviendront de plus en plus trop grands pour être gérés… . "
Wu et ses collègues ont décrit leur concept dans une étude récente publiée dans la revueArca Astronautica (intitulé "Boucliers thermiques flexibles déployés par la force centrifuge"). La conception se compose d'un matériau avancé et flexible qui a une tolérance aux températures élevées et permet un pliage et un stockage faciles à bord d'un vaisseau spatial. Le matériau devient rigide lorsque le bouclier applique une force centrifuge, ce qui est accompli en tournant à l'entrée.
Jusqu'à présent, Wu et son équipe ont effectué un test de chute avec le prototype à une altitude de 100 m (328 ft) à l'aide d'un ballon (dont la vidéo est publiée ci-dessous). Ils ont également effectué une analyse dynamique structurelle qui a confirmé que le bouclier thermique est capable d'engager automatiquement une vitesse de rotation suffisante (6 tours par seconde) lorsqu'il est déployé à des altitudes supérieures à 30 km (18,64 mi) - ce qui coïncide avec la stratosphère de la Terre.
L'équipe a également effectué une analyse thermique qui a indiqué que le bouclier thermique pouvait réduire les températures frontales de 100 K (100 ° C; 212 ° F) sur un véhicule de taille CubeSat sans avoir besoin d'une isolation thermique autour du bouclier lui-même (contrairement aux structures gonflables ). La conception est également autorégulée, ce qui signifie qu'elle ne dépend pas de machines supplémentaires, ce qui réduit encore plus le poids d'un vaisseau spatial.
Et contrairement aux conceptions conventionnelles, leur prototype est évolutif pour une utilisation à bord de petits vaisseaux spatiaux comme CubeSats. En étant équipés d'un tel bouclier, les CubeSats pourraient être récupérés après leur retour dans l'atmosphère terrestre, devenant effectivement réutilisables. Tout cela est conforme aux efforts actuels pour rendre l'exploration et la recherche spatiales rentables, en partie grâce au développement de pièces réutilisables et récupérables. Comme Wu l'a expliqué:
«De plus en plus de recherches sont menées dans l'espace, mais cela est généralement très coûteux et l'équipement doit partager un trajet avec d'autres véhicules. Étant donné que ce prototype est suffisamment léger et flexible pour être utilisé sur des satellites plus petits, la recherche pourrait être rendue plus facile et moins coûteuse. Le bouclier thermique permettrait également de réduire les coûts dans les missions de récupération, car sa traînée induite élevée réduit la quantité de carburant brûlé lors de la rentrée. »
Quand vient le temps de déployer des engins spatiaux plus lourds sur Mars, ce qui impliquera probablement des missions en équipage, il est tout à fait possible que les boucliers thermiques qui garantissent qu'ils remontent en toute sécurité à la surface soient composés de matériaux légers et flexibles qui tournent pour devenir rigides. Dans l'intervalle, cette conception pourrait permettre des systèmes d'entrée légers et compacts pour les petits vaisseaux spatiaux, rendant la recherche CubeSat beaucoup plus abordable.
Telle est la nature de l'exploration spatiale moderne, qui consiste à réduire les coûts et à rendre l'espace plus accessible. Et n'oubliez pas de regarder également cette vidéo du test de chute de l'équipe, gracieuseté de Rui Wui et de l'équipe MACE:
