NASA Установило причину обугливания теплозащитного экрана Artemis I Orion⁠⁠

Эрика Питерс, 05 декабря 2024 г.
Nasa

28 июня 2024 года космический корабль Orion миссии Artemis-2 был извлечён из камеры окончательной сборки и тестирования систем (FAST) и помещён в западную высотную камеру в здании операций и проверок Космического центра Кеннеди НАСА во Флориде. В высотной камере космический корабль прошёл серию испытаний, имитирующих условия глубокого космоса.

После тщательного анализа и испытаний НАСА выявило техническую причину неожиданного разрушения защитного покрытия космического корабля «Artemis I Orion».

Инженеры установили, что, когда Orion возвращался с беспилотной миссии вокруг Луны, газы, образующиеся внутри абляционного внешнего материала теплового экрана под названием Avcoat, не могли выходить наружу и рассеиваться, как ожидалось. Из-за этого давление внутри материала нарастало, и возникали трещины, в результате чего в нескольких местах отслоился обугленный материал.

«Наши первые полёты по программе «Artemis» — это тестовая кампания, и испытательный полёт «Artemis-1» дал нам возможность проверить наши системы в условиях глубокого космоса, прежде чем отправлять экипаж в будущих миссиях, — сказал Амит Кшатрия, заместитель помощника администратора программы «От Луны к Марсу» в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. — Исследование теплозащитного экрана помогло нам полностью понять причину и характер проблемы, а также риски, на которые мы обрекаем наши экипажи, отправляя их на Луну».

Выводы

Команды использовали методичный подход для понимания и выявления первопричины проблемы с потерей углерода, включая детальное исследование теплозащитного экрана «Artemis I», анализ изображений и данных с датчиков космического аппарата, а также всесторонние наземные испытания и анализ.

Во время миссии «Artemis-1» инженеры использовали метод промежуточного входа в атмосферу для возвращения «Orion» на Землю. Этот метод обеспечивает большую гибкость, позволяя «Orion» пролететь после точки входа в атмосферу до места посадки в Тихом океане. Используя этот манёвр, «Orion» вошёл в верхние слои атмосферы и замедлился за счёт сопротивления воздуха. Затем «Orion» использовал аэродинамическую подъёмную силу капсулы, чтобы выйти из атмосферы, а затем снова войти в неё для окончательного спуска на парашютах и приводнения.

Используя данные о реакции материала Avcoat, полученные в ходе миссии «Artemis-1», исследовательская группа смогла воспроизвести условия входа в атмосферу «Artemis-1» — ключевую часть понимания причины проблемы — в дуговой камере Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии. Они заметили, что в период между входами в атмосферу скорость нагрева снижалась, а тепловая энергия накапливалась в материале Avcoat теплозащитного экрана. Это привело к накоплению газов, которые являются частью ожидаемого процесса абляции. Из-за того, что Avcoat не обладал «проницаемостью», внутри создавалось давление, которое приводило к растрескиванию и неравномерному отслаиванию внешнего слоя.

После того как космический корабль «Orion» НАСА был возвращён на Землю по завершении испытательного полёта «Artemis I» и доставлен в Космический центр Кеннеди НАСА во Флориде, его теплозащитный экран был снят с модуля экипажа в здании операций и подготовки к полёту и повернут для осмотра.

Перед полётом «Artemis-1» команды провели обширные наземные испытания, чтобы воспроизвести явление «проскока». Однако они проводили испытания при гораздо более высоких температурах нагрева, чем те, с которыми космический корабль сталкивался во время полёта. Высокие температуры нагрева, испытанные на земле, позволили сформировать и удалить проницаемый слой угля, как и ожидалось, что снизило давление газа. Менее сильный нагрев, наблюдавшийся во время реального возвращения «Artemis-1» в атмосферу, замедлил процесс формирования слоя угля, но всё равно привёл к образованию газов в этом слое. Давление газа нарастало до такой степени, что покрытие Avcoat трескалось и из него выходили части обугленного слоя. Недавние усовершенствования установки для дуговой сварки позволили более точно воспроизвести условия полёта «Artemis-1», чтобы продемонстрировать такое поведение трещин при наземных испытаниях.

Хотя на «Artemis-1» не было экипажа, данные о полёте показали, что если бы экипаж был на борту, они были бы в безопасности. Данные о температуре в кабине, полученные от систем модуля экипажа, также находились в допустимых пределах и держались на уровне 25 градусов по Цельсию. Тепловые характеристики теплозащитного экрана превзошли ожидания.

Инженеры понимают, как материалы взаимодействуют с окружающей средой во время входа в атмосферу. Изменяя материал или окружающую среду, они могут спрогнозировать, как отреагирует космический корабль. Команды НАСА единогласно согласились с тем, что агентство может разработать приемлемую концепцию полёта, которая обеспечит безопасность экипажа при использовании существующего теплозащитного экрана «Artemis-2» с учётом изменений, связанных с входом в атмосферу.

Процесс расследования НАСА

Вскоре после того, как инженеры НАСА обнаружили дефект на теплозащитном экране «Artemis-1», агентство приступило к масштабному расследованию, в котором участвовала многопрофильная группа экспертов в области систем теплозащиты, аэротермодинамики, тепловых испытаний и анализа, анализа напряжений, испытаний и анализа материалов и многих других смежных технических областей. Центр инженерии и безопасности НАСА также предоставил технические экспертные знания, включая неразрушающий контроль, тепловой и структурный анализ, анализ дерева отказов и другие виды поддержки при проведении испытаний.

«Мы отнеслись к процессу изучения теплозащитного экрана очень серьёзно, и безопасность экипажа была движущей силой этого исследования, — сказал Говард Ху, руководитель программы «Orion» в Космическом центре имени Джонсона НАСА в Хьюстоне. — Процесс был длительным. Мы предоставили команде время, необходимое для изучения всех возможных причин, и они неустанно работали, чтобы мы поняли это явление и предприняли необходимые шаги для устранения этой проблемы в будущих миссиях».

Теплозащитный экран «Artemis-1» был оснащён множеством датчиков давления, тензометрами и термопарами на разной глубине абляционного материала. Данные, полученные с помощью этих приборов, дополнили анализ физических образцов, что позволило команде проверить компьютерные модели, воссоздать окружающую среду, получить профили внутренней температуры и понять, когда происходит обугливание.

Примерно 200 образцов покрытия Avcoat были извлечены из теплозащитного экрана «Artemis I» в Центре космических полётов имени Маршалла НАСА в Алабаме для анализа и проверки. Команда провела неразрушающий контроль, чтобы «посмотреть» внутрь теплозащитного экрана.

Одним из наиболее важных выводов, сделанных в результате изучения этих образцов, было то, что на локальных участках проницаемого покрытия, которые были выявлены перед полетом, не наблюдалось растрескивания или обугливания. Поскольку эти участки были проницаемыми в начале входа, газы, образующиеся в результате абляции, могли адекватно отводиться, устраняя повышение давления, растрескивание и потерю обугливания.

Испытательный образец Avcoat проходит тепловое импульсное испытание в испытательной камере с дуговой струёй в Исследовательском центре Эймса НАСА в Калифорнии. Испытательный образец, состоящий из проницаемого (верхнего) и непроницаемого (нижнего) участков Avcoat для сравнения, помог подтвердить понимание основной причины потери обугленного материала Avcoat, которую инженеры наблюдали на космическом корабле «Orion» после испытательного полёта «Artemis-1» за пределы Луны.

Инженеры провели восемь отдельных кампаний по тепловым испытаниям после полёта, чтобы выявить первопричины, и выполнили 121 отдельное испытание. Эти испытания проводились на уникальных объектах по всей стране, в том числе в Лаборатории аэродинамического нагрева в комплексе Arc-Jet в Эймсе для тестирования профилей конвективного нагрева с использованием различных испытательных газов; в Лаборатории оценки лазерных закалённых материалов на базе ВВС Райт-Паттерсон в Огайо для тестирования профилей радиационного нагрева и проведения рентгенографии в реальном времени; а также в Лаборатории взаимодействия при нагреве в Эймсе для тестирования комбинированных профилей конвективного и радиационного нагрева в воздухе в масштабе целого блока.

Специалисты по аэротермике также провели две кампании по испытаниям в гиперзвуковой аэродинамической трубе в Исследовательском центре НАСА Лэнгли в Вирджинии и на аэродинамических испытательных стендах CUBRC в Буффало, штат Нью-Йорк, чтобы протестировать различные конфигурации для снижения выбросов углерода, а также усовершенствовать и проверить аналитические модели. Испытания на проницаемость также проводились в Kratos в Алабаме, Университете Кентукки и Эймсе, чтобы дополнительно охарактеризовать объём и пористость Avcoat. Испытательный центр Advanced Light Source, научный центр Министерства энергетики США в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, также использовался инженерами для изучения поведения Avcoat при нагревании на уровне микроструктуры.

Весной 2024 года НАСА сформировало независимую комиссию по расследованию для проведения всестороннего анализа процесса расследования, выводов и результатов. Независимую комиссию возглавил Пол Хилл, бывший руководитель НАСА, который после катастрофы «Колумбии» был ведущим директором по полётам космических шаттлов в рамках программы «Возвращение к полётам», возглавлял Управление по операциям с миссиями НАСА и в настоящее время является членом Консультативной группы по аэрокосмической безопасности агентства. Проверка проводилась в течение трёх месяцев, чтобы оценить состояние теплозащитного экрана после полёта, данные о среде входа в атмосферу, тепловую реакцию аблятора и ход расследования НАСА. Группа проверки согласилась с выводами НАСА о технической причине физического поведения теплозащитного экрана.

Достижения в области теплозащитных экранов

Зная, что проницаемость покрытия Avcoat является ключевым параметром для предотвращения или минимизации потерь угля, НАСА располагает необходимой информацией для обеспечения безопасности экипажа и улучшения характеристик будущих теплозащитных экранов Artemis. На протяжении всей своей истории НАСА извлекало уроки из каждого своего полета и внедряло усовершенствования в аппаратное обеспечение и операции. Данные, собранные во время испытательного полета Artemis I, предоставили инженерам бесценную информацию для будущих разработок и доработок. Данные о летно-технических характеристиках при возвращении на Луну и надежная программа квалификационных наземных испытаний, улучшенная после полета Artemis I, способствуют усовершенствованию производства теплозащитного экрана Orion. Для достижения однородности и стабильной проницаемости разрабатываются будущие теплозащитные экраны для возвращения «Orion» с миссии «Artemis» по высадке на Луну. В настоящее время завершается квалификационная программа, а также производство более проницаемых блоков Avcoat на сборочном предприятии NASA в Новом Орлеане.