Bachelor's Thesis

Re-entry Orbital Module Heat Shield Material Base Analysis

Final Thesis 2.51 MB

Author of thesis: Petr Přibyl

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Vít Jan, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis is focused on heat shield materials used on space reentry vehicles. The thesis includes a description of the reentry process, along with the associated heating and the parameters influencing this phenomenon. Particular attention is centered on materials used in thermal protection systems (TPS), specifically the requirements imposed on them and the relationship between their properties, structure, and chemical composition. Within the scope of this work, basic material analysis methods were applied to samples of a reusable ceramic heat shield material from a reentry vehicle. The outcome of the thesis is the determination and description of the chemical composition, microstructure and selected properties of the analyzed material samples. The obtained results were discussed and compared with available information on TPS materials.

Keywords:

Atmospheric reentry, reentry vehicle, heat shield, thermal protection system (TPS), ablative materials, reusable materials, material analysis

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka - zodpovězeno 3. otázka - zodpovězeno 4. otázka - zodpovězeno Otázky komise: Jaký je původ ukázkových vzorků? - zodpovězeno Jakým způsobem se vyrábí vlákna z keramických materiálů? - zodpovězeno Co by se stalo s porézní destičkou při startu rakety, pokud by byla nasáklá vodou? - zodpovězeno Jakou výhodu poskytuje porézní vláknitá struktura z hlediska tepelné izolace? - částečně zodpovězeno Jakou jinou přesnější metodu by šlo využít pro stanovení chemického složení? - částečně zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Materials Science and Engineering

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. Stanislava Fintová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vít Jan, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Juliš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Martin Trunec, Dr. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Vít Jan, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá problematikou systémů tepelné ochrany kosmických těles, přičemž toto téma si autor zvolil  z vlastní iniciativy. V rešeršní části se úspěšně vypořádal s rozsáhlou cizojazyčnou literaturou a pokročilými technickými podklady, ze kterých sestavil ucelený teoretický základ o materiálech pro tepelné štíty návratových  modulů. Na to navazuje praktická část, v níž se autor věnoval reverznímu inženýrství reálného materiálového vzorku. Provedl experimentální analýzy, jejichž výsledky správně interpretoval a analyzovaný materiál klasifikoval a přiřadil k ekvivalentním systémům známým z letecko-kosmické praxe.

Student pracoval velmi samostatně a s minimální potřebou metodického vedení. Na konzultace přicházel s jasnou představou a věcné připomínky dokázal kriticky analyzovat, samostatně domyslet a zapracovat do textu v jeho další verzi. Prokázal tak schopnost samostatného inženýrského uvažování.

Dosažené výsledky poskytují ucelený a experimentálně podložený přehled o zkoumané problematice. Práce je metodicky i textově konzistentní. Student prokázal schopnost zpracovat komplexní data, aplikovat analytické metody a samostatně řešit zadaný problém. Práce splňuje  kritéria kladená na tento typ závěrečných prací. Doporučuji ji k obhajobě a navrhuji hodnocení A (výborně).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D.

Práce se zabývá materiálovou základnou tepelných bariér návratových modulů orbitálních lodí a svým rozsahem i zpracováním splňuje požadavky zadání. Student prokázal velmi dobrou orientaci v problematice návratu atmosférou, tepelných toků a systémů tepelné ochrany. Rešeršní část je zpracována logicky, zahrnuje ablativní, opakovaně použitelné i nekonvenční TPS materiály a vhodně propojuje jejich funkci s chemickým složením, mikrostrukturou a výslednými vlastnostmi.

Za velmi pozitivní považuji zařazení vlastní experimentální části. Student aplikoval základní metody materiálové analýzy, zejména světelnou mikroskopii, SEM/EDS, stanovení objemové hmotnosti a měření součinitele tepelné vodivosti. Výsledky jsou přehledně prezentovány a diskutovány ve vztahu k dostupným informacím o keramických materiálech tepelných štítů. Interpretace vícevrstvé struktury, složené ze sklovité povrchové vrstvy, přechodové oblasti a porézní vláknité izolace, je věcná a odpovídá použitým metodám. Některé závěry, zejména při porovnání s konkrétními typy TPS materiálů, by však bylo vhodné formulovat opatrněji, protože jednoznačnější identifikace by vyžadovala doplnění např. XRD analýzy, kvantifikace porozity, vysokoteplotních měření nebo mechanických zkoušek.

Formálně je práce dobře uspořádaná, přehledná a graficky kvalitní. Jazyková a stylistická úroveň je dobrá, vyskytují se pouze drobné formulační či typografické nedostatky. Práce s literaturou je nadstandardní, seznam zdrojů je rozsáhlý a většinou odborně relevantní.

Celkově se jedná o velmi zdařilou bakalářskou práci s jasným vlastním přínosem a dobrou využitelností jako základ pro další materiálový výzkum TPS. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Proč samotná chemická analýza EDS nestačí k jednoznačné identifikaci typu keramického TPS materiálu?
  2. Jak by vlhkost nebo kontaminace porézního keramického materiálu mohla ovlivnit jeho funkci při ohřevu?
  3. Jaký problém by mohl nastat, pokud by došlo k lokálnímu poškození nebo popraskání černé povrchové vrstvy tepelného štítu?
  4. Dokázal byste na základě získaných dat a prostudovaných materiálů odhadnout pravděpodobný technologický postup výroby Vašeho vzorku?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová