4D-изображения показали скрытое повреждение теплозащитного экрана космического корабля

На этих трёх изображениях показана деградация образцов углеродного волокна (слева направо) при высоких, средних и низких температурах после 10 секунд воздействия. Цветные участки обозначают окисленный объём. Слева образец при высокой температуре демонстрирует неглубокую зону деградации (красный), в центре — увеличенную глубину повреждения (зелёный), а справа при низкой температуре окисление распространилось на весь образец (синий). Источник: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202502007

При входе космического корабля в атмосферу Земли внешний слой теплозащитного экрана «жертвует» собой, чтобы защитить остальную часть аппарата. Углеродные волокна разлагаются, рассеивая тепло.

Ранее считалось, что этот процесс происходит только на поверхности. Однако новое исследование учёных из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и четырёх других институтов показало, что деградация углеродного волокна затрагивает и внутренние слои, что может привести к структурным повреждениям и угрожать безопасности корабля.

«Мы часто предполагаем, что деградация теплозащитного экрана происходит только на поверхности, что не всегда ошибочно. Но обнаруженные нами изменения во всём объёме материала показывают, что это предположение не всегда верно. Структурная целостность экрана может быть серьёзно нарушена при определённых условиях», — пояснил аспирант аэрокосмической инженерии Бен Рингел.

По словам его научного руководителя Франческо Панераи, эксперимент позволил впервые визуализировать процесс окисления углеродного волокна с неожиданными деталями. Исследование проводилось на установке TOMCAT в Швейцарском институте Пауля Шеррера, где с помощью рентгеновского излучения и высокоскоростной камеры удалось зафиксировать изменения в материале с микронным разрешением.

Команда обработала 19 ТБ данных, применив методы глубокого обучения для анализа структуры волокон. Результаты показали, что при снижении температуры кислород проникает глубже в материал, ослабляя его по всему объёму.

Второй этап исследования включал сотрудничество с Исследовательским центром NASA Ames. С помощью суперкомпьютера учёные провели более 1600 симуляций, чтобы изучить изменение свойств материала в динамике.

«Наши данные помогут другим исследователям улучшить модели теплозащитных экранов, что откроет новые возможности для инженерных решений, включая 3D-печать экранов с оптимизированной структурой», — отметил Рингел.

Исследование «Окисление углеродного волокна в 4D» опубликовано в журнале Advanced Materials.

Дополнительная информация: Benjamin M. Ringel et al, Carbon Fiber Oxidation in 4D, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202502007