Los investigadores de la NASA están utilizando un novedoso sistema de imágenes termales a bordo de un avión del ejército naval para capturar imágenes de los patrones de temperatura que calientan la superficie del trasbordador espacial a medida que regresa a través de la atmósfera terrestre. Hasta ahora los investigadores han tomado imágenes de tres misiones del trasbordador y están procesando los datos para crear mapas en 3-D de la temperatura en la superficie. Los datos permitirán a los ingenieros diseñar sistemas para proteger a la futura nave espacial del calor abrasador–hasta 5.500 grados Celsius—que se genera durante la reentrada.

“Queremos entender el mecanismo de las temperaturas punta, cuándo ocurren y dónde, puesto que eso es lo que determina el tipo de material y el tamaño del sistema de protección,” afirma Thomas Horvath, investigador principal del proyecto, llamado Hypersonic Thermodynamic InfraRed Measurements (HYTHIRM), en el Centro de Investigación Langley de Hampton, Virginia.

La NASA está más preocupada por la seguridad y el desarrollo de herramientas para la inspección y protección del trasbordador desde el desastroso accidente del Columbia en 2003, donde unos daños producidos en el ala del trasbordador afectaron al escudo de calor, lo que hizo que se perdiera la integridad estructural y se desintegrase durante la reentrada, matando al menos a 7 astronautas a bordo. Horvath, que también es miembro del equipo del Comité para la Investigación del Accidente del Columbia (CAIB, en inglés), afirma que el proyecto HYTHIRM ha sido desarrollado en respuesta al accidente del Columbia.

“Creo realmente que los investigadores pueden obtener nuevos conocimientos a partir de las causas que producen el calentamiento,” afirma Douglas Osheroff, profesor de física y física aplicada en la Universidad de Stanford, y miembro de CAIB. Añade que las imágenes termales también podrían usarse como herramienta de diagnóstico para comprobar la integridad de las placas del trasbordador durante la reentrada. En la actualidad, los ingenieros tienen que inspeccionar manualmente las placas antes de que el trasbordador pueda regresar.

Para obtener imágenes del trasbordador, los investigadores utilizaron un novedoso sistema óptico llamado Cast Glance a bordo de un avión P-3 Orion del ejército naval. El sistema se utiliza mayormente por el Departamento de Defensa para misiones de defensa contra misiles y tuvo que ser ligeramente modificado para el proyecto de la NASA. Los investigadores del ejército naval añadieron una cámara común de alta resolución y la ajustaron para que filtrase la luz infrarroja. Después calibraron los sensores ópticos del Cast Glance para que, al medir la radiación infrarroja procedente del trasbordador, se pudiesen calcular las temperaturas de la superficie.

El avión del ejército naval vuela a 37 kilómetros del trasbordador espacial cuando éste viaja a velocidades de dos a tres millas (3,2 a 4,8 kilómetros) por segundo, recopilando ocho minutos de datos ininterrumpidos: aproximadamente entre 10.000 y 15.000 imágenes por cada misión.

Los investigadores se centraron en la parte del vientre del trasbordador, que está cubierta por unas 10.000 placas de protección termal. Las áreas de mayor calentamiento, cerca del morro y a lo largo del borde delantero de cada ala, están hechas de un material llamado carbono-carbono reforzado (RCC). A medida que el trasbordador empuja a las moléculas de aire, afirma Deborah Tomak, directora de proyecto del HYTHIRM, una capa limitadora o región protectora, similar al aislamiento, se forma alrededor del trasbordador allí donde las temperaturas oscilan entre los 1.093 y los 1.649 grados Celsius. Fuera de las capas limitadoras, las temperaturas pueden alcanzar 5.500 grados de sofocante calor.

Cualquier daño en las placas, un saliente o un bulto en el vientre del trasbordador, puede provocar una ruptura en la capa limitadora y permitir que entre un calor extremo. Uno de los problemas principales son los rellenos de huecos, unos trozos de tela con una capa de cerámica con el grosor de una hoja de papel que se colocan entre las placas para proveer un grado de amortiguación, y a veces logran sobresalir. (Sin embargo, la NASA afirma que los rellenos no suponen ningún tipo de preocupación en cuanto a seguridad.)

Los investigadores de Langley han tomado imágenes de tres misiones del trasbordador: Discovery, el 28 de marzo (STS-119), Atlantis, el 24 de mayo (STS-125); y de nuevo Discovery el 11 de septiembre (STS-128). También han llevado a cabo dos pequeños experimentos de investigación de vuelo. “Hemos añadido un pequeño bulto al ala del Discovery, de aproximadamente 7,5 milímetros, para lograr comprender mejor lo que se denomina como transición de la capa limitadora o tropiezo en los campos de flujo,” afirma Tomak. Los investigadores también cubrieron dos de las placas con una material que está siendo desarrollado para la capa de calor del vehículo de exploración Orion.

Los investigadores acaban de empezar a procesar todos los datos recopilados en lo que son unos mapas de temperatura en 3-D, que después compararán con las medidas tomadas a partir de los sensores termales en el vientre del trasbordador y con unos modelos de dinámica de fluidos computacionales. Horvath afirma que presentarán sus resultados en una conferencia en enero de 2010.

No obstante, los investigadores ya han obtenido algunos resultados inesperados. Una pequeña imperfección, posiblemente del tamaño de una décima de pulgada (unos 2,5 milímetros), en la cara opuesta del bulto que se colocó a propósito en el ala del Discovery, creó unas altas temperaturas en un área mucho más grande de lo que se vería normalmente, afirma Horvath.

Osheroff afirma que está interesado en ver si el análisis encuentra resultados distintos a partir de vehículos orbitales diferentes. Por ejemplo, el Columbia fue el primer trasbordador que se construyó y pesaba 20.000 libras más que los demás (unos 9.072 kilos). “Los patrones de calor dependen de la altitud o la orientación del vehículo durante la reentrada, así que sería beneficioso poder hacer tests durante al menos dos de los vuelos de cada nave.”

Al trasbordador espacial sólo le quedan seis vuelos antes de que le llegue la jubilación. Horvath afirma que los investigadores esperan poder continuar tomando imágenes durante el resto de las misiones, aunque la aprobación final aún está pendiente. “Nuestra capacidad para predecir los datos termales de forma precisa tendrá un profundo impacto en los diseños de los nuevos vehículos,” afirma.