- 研究人員實時觀察熱盾材料在高溫下的退化過程。
- 該技術改善了熱盾的建模和設計，對阿耳忒彌斯任務尤為重要。
- 研究揭示了不同燒蝕材料在加熱時的顯著差異。
- 這些發現有助於提高未來載人探索任務的安全性和可靠性。
美國的研究人員成功實時觀察太空船熱盾在極端高溫條件下的表現。位於先進光源（Advanced Light Source, ALS）的研究團隊利用 X 光成像及人工智能分析技術，揭示了熱盾材料在大氣重返過程中微觀層面的退化情況。透過與美國國家航空航天局（NASA）長達十年的合作，研究人員正研究一類名為超輕燒蝕材料的熱盾材料的退化過程，以指導 NASA 的太空船設計。
熱盾材料的觀察技術
ALS 的研究提供了對這一隱秘過程的新細節，顯著改善了工程師對熱盾的建模和設計，尤其是近期的阿耳忒彌斯（Artemis）任務。
研究人員指出，透過該技術直接觀察熱盾材料在加熱過程中的退化，對於大氣進入研究具有變革性意義，因為這使我們獲得了獨特的見解，並幫助我們可視化驅動燒蝕的內部結構變化。當時在伊利諾伊大學厄本那—香檳分校的博士後研究員維什努・奧魯甘提（Vishnu Oruganti）表示：“幾乎所有主要的 NASA 燒蝕熱盾材料都已經使用這項技術在先進光源進行研究，其中包括與阿耳忒彌斯和火星進入任務相關的材料。
”
作為與 ALS 長期合作的一部分，來自伊利諾伊大學厄本那—香檳分校和 NASA 的研究團隊使用原位 X 光微計算機斷層掃描（micro-CT）技術，深入研究一類名為超輕燒蝕材料的熱盾材料，該材料用於 NASA 太空船的背殼。研究人員追蹤高溫加熱如何影響實時的多相化學分解過程。這些樣本的加熱溫度達到 1,652 華氏度，這是材料開始分解的溫度範圍的上限，並在多個時間點進行微米級成像。
研究團隊研究了兩種商業燒蝕材料 SLA-220 和 SLA-561V，這些材料用於太空船背殼的不同部位，並具有不同的成分。
不同材料的性能比較
根據新聞稿，通過 micro-CT 技術，研究人員追蹤了類似於大氣重返的高溫加熱如何影響實時的多相化學分解和孔隙率。這些測量數據有助於開發和驗證預測模型，減少熱盾性能的不確定性，改善任務規劃，最終幫助確保未來載人探索任務的安全性和可靠性。ALS 科學家莉茲・克拉克（Liz Clark）表示：“我們可以在不同的極端條件下進行樣本的三維成像，例如熱、冷、壓力和張力，並觀察材料的內部結構如何隨著這些條件下的性質變化而演變。
”
她補充道：“這項合作是這項技術的完美應用。在第一次阿耳忒彌斯任務中，熱盾的表現未能如 NASA 根據計算方法所預期的那樣，他們利用 ALS 檢查這些熱盾的材料，以更好地理解內部結構隨時間的演變。”研究人員的發現表明，經過 AI 增強的成像揭示了兩種熱盾材料之間的顯著差異。SLA-561V 包含軟木——即用於葡萄酒瓶塞的自然材料——作為結構填充物。當加熱時，軟木會化學分解並消失，留下空的口袋均勻分佈在材料中。
相對而言，SLA-220 不包含此類有機填充物；而是其類橡膠的矽膠基質在加熱時形成密集的、分支的互聯通道網絡。
實時觀察技術對航天任務的影響
美國研究人員利用先進的 X 光成像和人工智能技術，實時觀察熱盾材料在極端高溫下的行為，這對於航天器設計至關重要。這項研究不僅提供了熱盾材料的內部結構變化的獨特見解，還幫助工程師改進設計，特別是在阿耳忒彌斯任務中。透過比較不同燒蝕材料的性能，研究人員能夠更好地理解材料在高溫下的行為，從而提高未來太空任務的安全性和可靠性。