19 mei 2019

SpaceX’ Starship gaat een zelf herstellend hitteschild krijgen

De Starship raket, voorheen de Big Falcon Rocket, van SpaceX heeft een bijzonder design, ‘retro, futuristisch’ de oordelen hierover varieerden nogal. Hoe is Musk tot dit aparte design danwel materiaalgebruik van deze raket gekomen? ‘Ik wil het eerste ooit zelf-regenererende hitteschild maken, en gebruiken.’ aldus Musk. Dit houdt in een dubbele roestvrijstalen wand waartussen of water of brandstof kan stromen en vervolgens door microperforaties naar de buitenkant kan  vloeien om hitte vorming tegen te gaan. Begin januari werd bekend gemaakt dat het plan is het frame van de raket geheel uit roestvrij staal te fabriceren in plaats van het meer traditionele aluminium en carbonvezel te gebruiken. Het eerste prototype van de Starship staat inmiddels op de ruimtehaven Brownsville te Texas en zou in juni 2019 helemaal klaar moeten zijn.

Starship credits; Futurism / SpaceX

Het besluit om voor de raket roestvrij staal te gebruiken berust bepaald niet op esthetische gronden. Het roestvrij staal is een stuk voordeliger, is zeer hittebestendig, en het is ideaal materiaal om een frame structuur van te bouwen. Om het materiaal robuust genoeg te krijgen voor een ruimtevlucht zei Musk dat het materiaal geheel rond de raket wordt aangebracht een soort zelf-herstellende eigenschappen krijgt. Musk beschreef het idee als een ‘stainless-steel sandwich’ dat water/brandstof kan ‘bloeden’ door minuscule gaatjes op het oppervlak voor koeling zodra de raket de Martiaanse atmosfeer betreedt.  ‘Ik wil het eerste ooit zelf-regenererende hitteschild maken, en gebruiken.’ aldus Musk. Dit houdt in dat er een dubbele roestvrijstalen wand waartussen of water of brandstof kan stromen gemaakt wordt wat vervolgens door microperforaties naar de buitenkant kan vloeien om hitte vorming tegen te gaan. Dit concept staat bekend als ‘transpiration cooling’. Musk stelt dat in theorie hetzij water hetzij super gekoeld vloeibare zuurstof door het poreuze hitteschild zal gaan stromen en zo een deel van de energie kan absorberen om grote schade te voorkomen. De Mars atmosfeer zal de raket betreden met een snelheid van rond de 7,5 km/s (ong. 26,000 km/h) en het is de bedoeling dat met dit type hitteschild vitale schade aan de raket voorkomen kan worden.

Hitte protectie

Over het nieuwe warmte protectie systeem van Starship wordt inmiddels hevig op verschillende fora van gedachten gewisseld. Maar het feit blijft uiteraard dat als bijvoorbeeld  Starship zijn reentry aanvangt vanuit superorbitale snelheden, zoals bij de Aarde-Mars transfer het een zeer hoge warmteflux te verwerken krijgen. Des te hoger de dynamische druk die wordt ondervonden, des te meer meer warmte in korte tijd naar het ruimtevaartuig wordt overgebracht (warmteflux).  Er zijn globaal drie warmte management systemen die voor koeling van de buitenkant van de raket gebruikt kunnen worden; passief, semi-passief en actief. Bij de eerste optie wordt er een isolerende structuur aangebracht die voorkomt dat de binnenstructuur oververhit raakt, zoals op de Space Shuttle met de keramische tegels. Warmte wordt weggestraald (gloeiing). De tweede, semi-passieve variant bestaat uit het gebruik van een ablatief hitteschild, zoals PICA-X voor Dragon. Maar omdat zo een hitteschild of Thermal Protection Systeem genoemd, ablatief is, het verdwijnt door processen van o.a. verdamping, is het niet herbruikbaar. Een andere mogelijkheid is een reflecterend oppervlak dat het grootste deel van de straling van het plasma afvoert. Het reflecterend roestvrij staal heeft een zeer lage  emissiviteit zodat de warmte via convectie niet weggestraald wordt door de structuur zelf en actief verwijderd moet worden (actieve koeling).

Grafiek schatting warmtestroom versus tijd credits; American Institute for Aero- and Astronautics / Reddit

Musk heeft aangegeven dat Starship deze derde optie, het actieve koelsysteem gaat gebruiken. Actieve koeling kan bv door  de koelvloeistof door buizen in de warmte geleidende structuur te pompen, dit systeem wordt bv gebruikt op de Rocketdyne RS-25 vloeibare raketmotor (Space Shuttle’s hoofdmotor). Voor Starship’s actief koelsysteem zal waarschijnlijk methaan (LNG, Liquid Natural Gas) gebruikt worden. Het nadeel van dit systeem is wel dat het de complexiteit van het bouwen verhoogt en dat roestvrij staal slecht warmte geleidt, – wel zo een 100 x minder dan bv koper: daarom zouden er extra veel warmtebuizen geïnstalleerd moeten worden in  de structuur om het koel te houden. Bij film cooling zou het methaan direct geïnjecteerd moeten worden door middel van kleine mondstukken in tegengestelde richting van de warmtestroom om zo een koelende filmlaag rond de buitenhuid van de Starship aan te brengen. Echter verdere specificaties, bv welke methode er precies gebruikt gaat worden zijn er door SpaceX niet gegeven. Bronnen: Inverse / Reddit / Popular Mechanics

Voor het interview met Elon Musk: https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a25953663/elon-musk-spacex-bfr-stainless-steel/

Reacties

  1. Het betreft niet alleen warmte, ook de ioniserende kosmische straling verdiend een schild voor zowel mens als elektronica. Zie patent NASA https://technology.nasa.gov/patent/LAR-TOPS-201

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: