NASA + Технологии

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.

Ожидайте значительных изменений в американском космическом агентстве.

Эрик Бергер – 5 декабря 2024 г. 22:14
Первоисточник

Избранный президент Дональд Трамп объявил в среду о своём намерении назначить предпринимателя и коммерческого астронавта Джареда Айзекмана следующим руководителем NASA.

Для тех, кто не знаком с Айзекманом, который в 16 лет основал в подвале родительского дома компанию по обработке платежей, которая в конечном итоге стала крупным игроком в сфере онлайн-платежей, это может показаться странным выбором. Однако представители космического сообщества приветствовали эту новость, а представители разных политических взглядов назвали назначение Айзекмана «потрясающим», «идеальным» и «вдохновляющим».

Это заявление Айзека Артура, президента Национального космического общества, характерно для реакции на новость: «Джаред — выдающаяся личность и идеальный кандидат на должность администратора НАСА. Он обладает богатым опытом предпринимательской деятельности, а также уникальными знаниями в работе как с НАСА, так и со SpaceX. Это идеальное сочетание, поскольку мы вступаем в новую эру расширения сотрудничества между НАСА и коммерческими космическими полётами».

Итак, кто такой Джаред Айзекман? Почему его кандидатура приветствуется в большинстве кругов, связанных с космическими полётами? И как он может изменить NASA? Читайте дальше.

Познакомься с Джаредом

Сейчас Айзекману 41 год, он примерно в два раза младше нынешнего администратора НАСА Билла Нельсона. Он основал несколько компаний, в том числе публичную Shift4 (посмотрите на цифру 4 на клавиатуре, чтобы понять значение названия), а также Draken International — компанию, которая обучала пилотов ВВС США.

На протяжении всей своей карьеры Айзекман проявлял страсть к полётам и приключениям. Около пяти лет назад он решил, что хочет полететь в космос, и купил билет на первую коммерческую миссию на космическом корабле SpaceX Dragon. Но это был не просто полет ради развлечения. Некоторые из его друзей предполагали, что Айзекман пригласит их с собой. Вместо этого он взял с собой человека, пережившего рак, преподавателя естественных наук и победителя лотереи. В рамках миссии Inspiration4 были собраны сотни миллионов долларов на исследования детского рака.

После этой миссии Айзекман приступил к более амбициозному проекту, который он назвал «Поларис». Предполагалось, что он совершит ещё две миссии на Dragon, а затем станет первым человеком, полетевшим на Starship SpaceX. В сентябре он совершил первую из этих миссий — Polaris Dawn. Он взял с собой пилота Скотта «Кидда» Потита и двух инженеров SpaceX, Анну Менон и Сару Гиллис. Они стали первыми сотрудниками SpaceX, побывавшими на орбите.

Миссия была характерна для цели Айзекмана - расширить горизонт того, что возможно для людей в космосе. В первый день полета «Полярный рассвет» поднялся на высоту 1408,1 км - это самый высокий полет на околоземной орбите из когда-либо выполнявшихся и самый дальний полет людей от нашей планеты со времен Apollo. На третий день полета четыре члена экипажа надели скафандры, разработанные компанией SpaceX в течение последних двух лет. После того как атмосфера в кабине была выпущена в космос, сначала Айзекман, а затем Гиллис на несколько минут высунули свои тела из космического корабля Dragon.

Это был первый в истории частный выход в открытый космос, который подчеркнул стремление Айзекмана ускорить переход от редких и контролируемых государством космических полётов к более общедоступным.

Почему космическое сообщество приветствует его?

За последние пять лет Айзекман впечатлил большинство тех, с кем он общался в сообществе космических путешественников. Он серьёзно относился к своим обязанностям, усердно тренируясь для полётов на Dragon и при необходимости используя оборудование НАСА, например, барокамеру в Космическом центре Джонсона.

Благодаря этим взаимодействиям — на основе моих интервью со многими людьми — Айзекман продемонстрировал, что он не миллиардер, которому просто хочется полетать, а человек, который хочет изменить космические полёты к лучшему. В своих космических полётах он также показал себя вдумчивым и осторожным лидером.

Это можно проиллюстрировать двумя примерами. Полёт в космос на борту Crew Dragon — динамичный процесс: во время начального подъёма пассажиры испытывают перегрузки более 3 g, затем происходит резкое отключение двигателей основной ракеты Falcon 9, разделение ступеней, а затем — нарастающая тяга двигателей верхней ступени сразу за капсулой. В интервью каждый из членов экипажа Polaris Dawn отмечал, что Айзекман спокойно называл эти этапы заранее и рассказывал, чего ожидать. Это произвело успокаивающий, обнадеживающий эффект и продемонстрировало, что здоровье и безопасность его команды — на первом месте в списке его забот.

Ещё один способ, с помощью которого Айзекман проявляет заботу о своей команде и семьях, — это ежегодное мероприятие под названием «Тренировка на истребителе». Зная, что члены экипажа проводят много времени вдали от своих семей, он приглашает их и сотрудников SpaceX, которые поддерживали его полёты, на взлётно-посадочную полосу в Монтане. В течение двух дней члены семей могут полетать на истребителях, совершить полёт в условиях невесомости и поучаствовать в других увлекательных мероприятиях, чтобы почувствовать, каково это — летать на грани. Айзекман делает всё это в знак благодарности всем, кто ему помогает.

Суть в том, что Айзекман своими действиями и словами показывает себя как заботливый человек, который хочет, чтобы космические полёты в США развивались и достигали новых высот.

Зачем Айзекману понадобилась эта работа?

Так почему же миллиардер, который дважды побывал в космосе (и планирует отправиться туда ещё как минимум два раза), хочет возглавить федеральное агентство? Я не задавал Айзекману этот вопрос напрямую, но в интервью на протяжении многих лет он ясно давал понять, что увлечён космическими полётами и рассматривает свою роль как роль посредника, желающего продвигать дело вперёд.

Скорее всего, он согласился на эту работу, потому что хочет модернизировать НАСА и поставить космическое агентство в такое положение, чтобы оно могло добиться успеха в будущем. НАСА больше не является молодым агентством, которое отправило Соединённые Штаты на Луну в рамках программы Apollo. Это было более полувека назад, и хотя НАСА по-прежнему способно на великие дела, оно живёт прошлым и зависит от крупных традиционных подрядчиков.

Бюджет космического агентства составляет около 25 миллиардов долларов, и никто не сможет убедительно доказать, что все эти деньги тратятся эффективно. Несколько крупных программ НАСА были созданы Конгрессом с целью обеспечить максимальный приток средств в определённые штаты и округа. Вполне вероятно, что Айзекман и администрация Трампа прижмут некоторых из этих «священных коров».

На первом месте в списке — ракета Space Launch System, которую Конгресс создал более десяти лет назад. Ракета и её наземные системы стали свидетельством расточительства, присущего крупным государственным программам, финансируемым по принципу «затраты плюс прибыль». Нынешний администратор НАСА Нельсон приложил руку к созданию этой ракеты SLS. Даже он осудил влияние такого типа контрактов как «чуму» для космического агентства.

В настоящее время НАСА планирует использовать ракету SLS для запуска четырёх астронавтов на космическом корабле Orion на лунную орбиту. Там они встретятся с кораблём Starship компании SpaceX, спустятся на Луну на несколько дней, а затем вернутся на Orion. После этого космический корабль вернётся на Землю.

Так долго, SLS?

Несколько источников сообщили Ars, что ракета SLS, которая долгое время пользовалась безоговорочной поддержкой Конгресса, теперь находится под угрозой. Окончательное решение ещё не принято, но с законодателями достигнута предварительная договорённость о прекращении разработки ракеты в обмен на перенос Космического командования США в Хантсвилл, штат Алабама.

Так как же астронавты НАСА доберутся до Луны без ракеты SLS? Ничто не предопределено, и пространство для манёвра открыто. Один из возможных сценариев, обсуждаемых для будущих миссий Artemis, — запуск космического корабля Orion ракете New Glenn на низкую околоземную орбиту. Там он мог бы состыковаться с разгонным блоком Centaur, который будет запущен на ракете Vulcan. Затем разгонный блок Centaur выведет Orion на лунную орбиту.

Такой сценарий элегантен, потому что в нём используются ракеты, которые обойдутся в разы дешевле SLS, а также в нём участвуют все ключевые подрядчики, задействованные в настоящее время в программе Artemis, за исключением Boeing, который понесёт финансовые потери. (Northrop Grumman по-прежнему будет производить твёрдое топливо для Vulcan, а Aerojet Rocketdyne будет производить двигатели RL-10 для верхней ступени этой ракеты.)

В рамках программы Artemis НАСА конкурирует с Китаем за право не только отправить астронавтов на южный полюс Луны, но и создать там устойчивую базу для проведения операций. Несмотря на значительный интерес к Марсу, источники сообщили Ars, что космическое агентство, скорее всего, сосредоточится на программе, которая сначала отправит людей на Луну, а затем разработает планы по Марсу.

Это соревнование не между Илоном Маском, основавшим SpaceX, и Джеффом Безосом, основавшим Blue Origin. Скорее, они оба считаются игроками американской команды. Администрация Трампа, похоже, считает предпринимательский дух ключевым преимуществом Соединённых Штатов перед Китаем в их соперничестве с Китаем. Эта статья в Space News даёт хорошее представление об этих настроениях.

Так что же будет с НАСА? При администрации Трампа роль НАСА, скорее всего, будет заключаться в стимулировании усилий коммерческих космических предпринимателей. Исаакман почти наверняка будет отдавать НАСА приказы, состоящие из двух слов: «результаты» и «скорость». Они считают, что НАСА должно стать более похожим на свой предшественник — Национальный консультативный комитет по аэронавтике, который проводил, продвигал и институционализировал аэронавтические исследования, но теперь уже в космосе.

Нелегко преобразовать большую бюрократическую машину, и, несомненно, будут трения и болевые точки. Но возможность, которая здесь открывается, заманчива: NASA не должно конкурировать в том, что частная промышленность уже делает лучше, например, в запуске больших ракет. Вместо этого оно должно находить сложные научно-исследовательские проекты на грани возможного. Это, безусловно, будет самой сложной миссией Айзекмана.

Эрик Бергер — старший космический редактор Ars Technica, освещающий все, от астрономии до частного космоса и политики НАСА, а также автор двух книг: «Взлёт»

о становлении SpaceX и «Возвращение» о разработке ракеты Falcon 9 и корабля Dragon. Эрик — сертифицированный метеоролог, живущий в Хьюстоне.

Northrop Grumman — SpaceLogistics — планирует запустить в 2026 году спутник Mission Robotic Vehicle (MRV). Он будет оснащен роботизированными руками, разработанными Военно-морской исследовательской лабораторией США. MRV должен продлить срок службы аппаратов, находящихся на геостационарной орбите.

Роботизированные руки будущего спутника недавно прошли критически важные термовакуумные испытания и теперь находятся на объекте спутниковой интеграции Northrop Grumman в Даллесе (Вирджиния). Манипуляторы созданы по контракту с Агентством перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA).

SpaceLogistics позиционирует MRV как универсальное решение на рынке космических услуг, которое включает в себя ремонт спутников, изменение их положения и удаление космического мусора.

Узнайте, какие удивительные технологии разрабатываются сегодня и что нас ждет в будущем в мире науки и космоса! Присоединяйтесь к нам! Наука Космос Технологии! 🐼