Protimeteorický štít

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Symbol rozcestia O iných významoch výrazu Protimeteorická ochrana pozri Protimeteorická ochrana (rozlišovacia stránka).
Whipplov štít použitý na kozmickej sonde Stardust
ATV-4: Pretlaková časť chránená plneným whipplovým štítom s ochrannou obšívkou

Protimeteorický štít[1][2] (iné názvy: mikrometeorický štít[3], protimeteorická ochrana[4][5], protimeteorický kryt[6])(angl. Micrometeoroid and Orbital Debris (MMOD) Protection[7], rusky противометеоритная защита [8] ) slúži na ochranu kozmických sond, lodí i kozmonautov pred ničivými účinkami drobných meteoroidov alebo drobného vesmírneho odpadu. Vzhľadom na vysokú stretávaciu rýchlosť ide o zrážky s vysokými energiami. Napríklad malé teleso s hmotnosťou dvoch gramov má pri vzájomnej rýchlosti 11 000 m/s energiu zrážky 121 kJ, t.j. ekvivalent energie výbuchu 29 gramov TNT.

Prvé kozmické lode používali tuhé štíty, resp. odolné steny[9] kozmických lodí, neskôr sa prešlo na ľahšie a efektívnejšie viacvrstvové konštrukcie.

Protimeteorický štít nemusí byť rovnaký z každej strany chráneného objektu, ale môže byť navrhnutý podľa predpokladaného rizika, napríklad podľa pravdepodobnosti výskytu veľkosti a rýchlosti a smeru príletu mikrometeoroidov.[10] Riziko môže byť rôzne z konkrétneho smeru (napr. čelná zrážka je obvykle rizikovejšia ako náraz zozadu) a rôzne môže byť dôsledky (napr. strata funkčnosti, ohrozenie života).

Protimeteorický štít môže mať kumulované funkcie, ako napríklad tepelnú ochranu, radiačnú ochranu, a iné.

Odolnosť kozmickej lode[upraviť | upraviť zdroj]

Protimetorický štít pretlakového modulu ATV, Whippleov štít plnený kevlarom.[11]
1. Multivrstvová izolácia 0,22 mm
2. Nárazníkový fragmentačný plech 1,2 mm
3. Rozptyľ fragmentov 128 mm
4. Nextel AF62/kevlar 0,131 g/cm2
5. Záchyt fragmentov, plech 3 mm

Odolnosť kozmickej lode môže byť definovaná napríklad hodnotou PNP. (angl. Probability of No Penetration – pravdepodobnosť neprerazenia). PNP je bezrozmerná veličina ktorá vyjadruje pravdepodobnosť poškodenia. Pri hodnote PNP sa definuje, akým časticiam a akú dobu musí objekt odolať.[12]

PNP = 0,9 / 15 rokov znamená, že ak 10 lodí strávi vo vesmíre 15 rokov, tak dôjde k poškodeniu 1 lode z 10. Riziko penetrácie v percentách vypočítame zo vzťahu:[13] Risk = ( 1 – PNP ) * 100 %

Príklad požadovanej odolnosti:[upraviť | upraviť zdroj]

  • Sojuz
    • PNP = 0,9 / 15 rokov, pre (Al častice veľkosti ~0,2 cm, s rýchlosťou 9 km/s, dopadajúcimi pod uhlom 45°)
  • ATV – Automated Transfer Vehicle
    • PNP = 0,9981 / 180 dní (celé ATV), častica ~0,9 cm
    • PNP = 0,99975 / 180 dní (pretlaková časť)

Whipplov štít[upraviť | upraviť zdroj]

Whipplov štít – princíp funkcie.[14] Pri malých telesách "A" príde k ich zastaveniu už na vrstve I. Pri silnejšom náraze však môžu byť z vrstvy I. vytrhnuté črepiny "D". Pri očakávaných telesách "B", príde na vrstve I. k ich fragmentácii a kužeľ fragmentov zastaví vrstva II. Pri veľkých telesách "C" dôjde na vrstve I. a II. k malej alebo žiadnej fragmentácii a chránená vrstva III. môže byť ničivo zasiahnutá.

Whipplov štít (angl. Whipple shield) bol vynájdený Fredom Whipplom. Je to viacvrstvový štít. V najjednoduchšej forme sa skladá z dvoch hliníkových plechov umiestnených v odstupe od chráneného povrchu. Prvý, tenší plech mikrometeorid nezastaví, no vzhľadom na vysokú energiu zrážky dôjde k fragmentácii mikrometeoroidu. Nasleduje vákuová medzera, v ktorej je priestor na rozptyl spŕšky fragmentov. Ideálne je docieliť dopad čo najmenších fragmentov na čo najväčšiu plochu, ktorú zachytáva druhý, hrubší plech. Za štítom nasleduje opäť medzera, aby sa účinky dopadu neprenášali priamo na stenu kozmickej lode.[15] V sofistikovanejších štítoch býva viac rôznych vrstiev rôznych materiálov, pričom niektoré medzery môžu byť vyplnené napr. kevlarom, aerogelom[16], kovovou penou, tkaninou, plastom, kompozitom[17] a podobne.

Viacnásobný zásah na to isté miesto štítu spôsobí jeho prerazenie. Väčšie častice je nutné vopred detegovať napríklad radarovým systémom NORADu a vyhnúť sa im.

Protimeteorická ochrana textilnou obšívkou[upraviť | upraviť zdroj]

Apollo 16 - ústrižok Beta textilu s bodkami Mesačného prachu

Protimeteorická ochrana textilnou obšívkou [18] funguje na podobnom princípe, ako Whipplov štít. Je účinná najmä proti mikrometeoroidom, ktoré majú malú hmotnosť, kedy je aj vlastná hmota pevnejšej tkaniny dostatočná, aby pri zrážke došlo k fragmentácii meteoroidu. Nasleduje vrstva tepelnej izolácie, ktorá zabezpečuje, že fragmentácia nastane čo najďalej od chráneného povrchu a vytvorí sa priestor na kužeľový rozptyl zbrzdených drobných trosiek, ktorý je následne zachytený pevnejšou vrstvou. Textilná protimeteorická ochrana - Beta textil, al. beta látka (angl. Beta cloth / beta fabric)[19] je súčasťou skafandrov pre výstup do otvoreného vesmíru, alebo pre pobyt na Mesiaci.[20] Texitilná obšívka je tiež napríklad súčasťou protimeteorickej ochrany kozmickej lode Sojuz (rusky противометеоритная защита), alebo ochrany rádioizotopového zdroja energie marťanského vozidla Curiosity.

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. Eric Christiansen, NASA, 2003, Meteoroid/Debris Shielding
  2. Dušan Majer, článok: Kvuli-dire-v-sojuzu-mozna-probehne-vystup/ - protimeteorický štít lode
  3. Michal Václavík, článok - STS-118 ENDEAVOUR – PRŮBĚH MISE
  4. Jan Sedláček, záchrana Skylabu - štít protimeteorické ochrany
  5. - 2001-016A - STS 100 - Průběh letu - odkryli část protimeteorické ochrany
  6. Prvá americká vesmírna stanica Skylab - strata protimeteorického krytu
  7. NASA web Micrometeoroid and Orbital Debris (MMOD) Protection
  8. Riaditeľ RKK - Dodatočná protimeteorická ochrana kozmickej lode Sojuz
  9. Fotografia ESA – vysokorýchlostný náraz do tuhej steny
  10. ECSS‐E‐ST‐10‐04C, Space Environment
  11. P. Beltrami Karlezi, G. Drolshagen, M. Lambert, Hodnotenie rizika pre ATV vplyvom trosiek (angl.)
  12. Impact risk assessment
  13. Dana M. Lear, Eric L. Christiansen, James L. Hyde, Nárazník: nástroj na analýzu rizík kozmického odpadu pre vesmírne lode, 2019 (angl.)
  14. ESA, Hyperrýchlostný náraz – fotografia -Whipple shield, 1/prílet projektilu z prava, 2/ fragmentácia, 3/ kužel trosiek, 4/ záchyt trosiek
  15. video – priestrel 2,8mm Al guľka pri rýchlosti 7000m/s
  16. patent US20140287641A1 en - Layered aerogel composites
  17. patent US10000036B2 en - High kinetic energy penetrator shielding
  18. Strihanie protimeteorickej ochrany - obšívky - pri analýze poškodenia kozmickej lode Sojuz, Dušan Majer, Kvůli díře v Sojuzu možná proběhne výstup, 15. září 2018, www.kosmonautix.cz
  19. Beta textil - BA 500BC / CF500 F (Beta Cloth, Beta Fabric) angl.
  20. Skafander - tepelno-protimikrometeoricka vrstva - (angl. thermal micrometeoroid garment) - Complex Garment Systems to Survive in Outer Space

Iné projekty[upraviť | upraviť zdroj]

Externé odkazy[upraviť | upraviť zdroj]