NASADochodzenie przeprowadzone w sprawie problemu z osłoną termiczną statku kosmicznego Artemis I Orion ujawniło, że gazy uwięzione w materiale Avcoat doprowadziły do wzrostu ciśnienia i utraty zwęglenia podczas ponownego wejścia w atmosferę.
Szeroko zakrojone testy, zarówno przed lotem, jak i po locie, oraz symulacje w obiektach NASA pomogły udoskonalić konstrukcję osłony termicznej, aby zapobiec przyszłym problemom, zapewniając bezpieczeństwo załogi podczas kolejnych misji Artemis.
NASA identyfikuje przyczynę uszkodzenia osłony termicznej na Artemisie I
Po szeroko zakrojonych analizach i testach NASA zidentyfikowała techniczną przyczynę nieoczekiwanej utraty zwęglenia zaobserwowanej w osłonie termicznej statku kosmicznego Artemis I Orion.
Inżynierowie ustalili, że podczas powrotu Oriona z misji wokół Księżyca bez załogi gazy powstałe w materiale ablacyjnym osłony termicznej, znanym jako Avcoat, nie były w stanie uchodzić i rozpraszać się zgodnie z przeznaczeniem. Doprowadziło to do wzrostu ciśnienia wewnętrznego, powodując pęknięcia i oddzielanie się zwęglonego materiału w kilku obszarach.
„Nasze wczesne loty Artemis mają charakter kampanii testowej, a lot testowy Artemis I dał nam możliwość sprawdzenia naszych systemów w środowisku głębokiego kosmosu przed dodaniem załogi na przyszłe misje” – wyjaśnił Amit Kshatriya, zastępca zastępcy administratora w firmie Moon to Mars Biuro Programowe, Siedziba NASA w Waszyngtonie. „Badanie osłony termicznej pomogło nam w pełni zrozumieć przyczynę i charakter problemu, a także ryzyko, o podjęcie którego prosimy nasze załogi podczas wyprawy na Księżyc”.
Rozbudowane testy ujawniają podstawowe problemy
Zespoły przyjęły metodyczne podejście do zrozumienia i zidentyfikowania pierwotnej przyczyny problemu utraty węgla, włączając szczegółowe pobieranie próbek osłony termicznej Artemis I, przegląd zdjęć i danych z czujników na statku kosmicznym oraz kompleksowe testy i analizy naziemne.
Podczas Artemidy I inżynierowie zastosowali technikę pomijania nawigacji, aby przywrócić Oriona na Ziemię. Technika ta zapewnia większą elastyczność poprzez zwiększenie zasięgu, jaki Orion może przelecieć od punktu ponownego wejścia w miejsce lądowania na Oceanie Spokojnym. Korzystając z tego manewru, Orion zanurzył się w górną część ziemskiej atmosfery i wykorzystał opór atmosferyczny, aby zwolnić. Następnie Orion wykorzystał aerodynamiczną siłę nośną kapsuły, aby wyskoczyć z atmosfery, a następnie powrócić do ostatecznego zejścia pod spadochronami i wodowania.
Wykorzystując dane dotyczące odpowiedzi materiałowej Avcoat z Artemis I, zespół badawczy był w stanie odtworzyć środowisko trajektorii wejścia Artemis I – kluczowy element do zrozumienia przyczyny problemu – w obiektach odrzutowców łukowych w Centrum Badawczym Ames NASA w Kalifornii. Zaobserwowali, że w okresie pomiędzy zanurzeniami w atmosferze szybkość nagrzewania spadała, a energia cieplna gromadziła się wewnątrz materiału Avcoat osłony termicznej. Doprowadziło to do nagromadzenia się gazów, które są częścią oczekiwanego procesu ablacji. Ponieważ Avcoat nie miał „przepuszczalności”, wzrosło ciśnienie wewnętrzne, co doprowadziło do pękania i nierównego zrzucania warstwy zewnętrznej.
Zespoły przeprowadziły szeroko zakrojone testy naziemne, aby odtworzyć zjawisko przeskakiwania przed Artemidą I. Testy przeprowadzono jednak przy znacznie wyższych szybkościach nagrzewania niż statek kosmiczny doświadczany w locie. Wysokie szybkości ogrzewania przetestowane na ziemi umożliwiły utworzenie się przepuszczalnego węgla drzewnego i jego ablację zgodnie z oczekiwaniami, uwalniając ciśnienie gazu. Łagodniejsze ogrzewanie zaobserwowane podczas ponownego wejścia Artemidy I spowolniło proces tworzenia się zwęglenia, jednocześnie tworząc gazy w warstwie zwęglenia. Ciśnienie gazu wzrosło do punktu, w którym doszło do pęknięcia powłoki Avcoat i uwolnienia części zwęglonej warstwy. Niedawne ulepszenia technologii strumienia łukowego umożliwiły dokładniejsze odtworzenie środowisk lotu Artemidy I zmierzonych w warunkach lotu, dzięki czemu można było wykazać pękanie w testach naziemnych.
Zwiększone środki bezpieczeństwa dla przyszłych misji
Chociaż Artemis I nie miał załogi, dane lotu wykazały, że gdyby załoga znajdowała się na pokładzie, byłaby bezpieczna. Dane dotyczące temperatury z systemów modułu załogi wewnątrz kabiny również mieściły się w granicach i utrzymywały się na stałym poziomie w połowie lat 70 Fahrenheita. Wydajność cieplna osłony termicznej przekroczyła oczekiwania.
Inżynierowie rozumieją zarówno zjawisko materialne, jak i środowisko, z którym materiały wchodzą w interakcję. Zmieniając materiał lub środowisko, mogą przewidzieć reakcję statku kosmicznego. Zespoły NASA jednomyślnie zgodziły się, że agencja może opracować akceptowalne uzasadnienie lotu, które zapewni załodze bezpieczeństwo przy użyciu aktualnej osłony termicznej Artemis II ze zmianami operacyjnymi we wejściu.
Dokładne badania i wysiłki testowe
Wkrótce po tym, jak inżynierowie NASA odkryli stan osłony termicznej Artemis I, agencja rozpoczęła szeroko zakrojony proces badawczy, który obejmował multidyscyplinarny zespół ekspertów w dziedzinie systemów ochrony termicznej, aerotermodynamiki, testów i analiz termicznych, analizy naprężeń, testów i analiz materiałów i wiele innych powiązanych dziedzin technicznych. Zaangażowano także Centrum Inżynierii i Bezpieczeństwa NASA, aby zapewnić specjalistyczną wiedzę techniczną, w tym ocenę nieniszczącą, analizę termiczną i strukturalną, analizę drzewa usterek i inne wsparcie testowe.
„Potraktowaliśmy proces badania osłony termicznej niezwykle poważnie, mając na uwadze bezpieczeństwo załogi jako siłę napędową dochodzenia” – powiedział Howard Hu, menadżer Programu Orion w Johnson Space Center należącym do NASA w Houston. „Proces był szeroko zakrojony. Daliśmy zespołowi czas potrzebny na zbadanie każdej możliwej przyczyny, a on pracował niestrudzenie, aby upewnić się, że zrozumieliśmy zjawisko i podjęliśmy niezbędne kroki, aby złagodzić ten problem w przyszłych misjach”.
Osłona termiczna Artemis I była w dużym stopniu wyposażona w czujniki ciśnienia, tensometry i termopary na różnych głębokościach materiału ablacyjnego. Dane z tych instrumentów poszerzyły analizę próbek fizycznych, umożliwiając zespołowi walidację modeli komputerowych, tworzenie rekonstrukcji środowiska, dostarczanie profili temperatury wewnętrznej i wgląd w czas utraty zwęglenia.
Około 200 próbek Avcoat pobrano z osłony termicznej Artemis I w Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Alabamie w celu analizy i kontroli. Zespół przeprowadził ocenę nieniszczącą, aby „zobaczyć” wnętrze osłony termicznej.
Ulepszona konstrukcja osłony termicznej dla przyszłych lotów
Jednym z najważniejszych wniosków z badania tych próbek było to, że lokalne obszary przepuszczalnego Avcoat, które zostały zidentyfikowane przed lotem, nie doświadczyły pęknięć ani ubytków zwęglenia. Ponieważ obszary te były przepuszczalne na początku wejścia, gazy powstałe w wyniku ablacji mogły odpowiednio odpowietrzyć, eliminując wzrost ciśnienia, pękanie i utratę zwęglenia.
Inżynierowie przeprowadzili osiem oddzielnych kampanii testów termicznych po locie, aby wesprzeć analizę pierwotnej przyczyny, wykonując 121 indywidualnych testów. Testy te przeprowadzono w obiektach o unikalnych możliwościach w całym kraju, w tym w zakładzie ogrzewania aerodynamicznego w kompleksie Arc-Jet w Ames, w celu przetestowania profili ogrzewania konwekcyjnego przy użyciu różnych gazów testowych; Laboratorium oceny materiałów utwardzanych laserowo w bazie sił powietrznych Wright-Patterson w Ohio w celu testowania profili ogrzewania radiacyjnego i zapewniania radiografii w czasie rzeczywistym; a także obiekt ogrzewania interakcyjnego w Ames w celu przetestowania połączonych profili ogrzewania konwekcyjnego i radiacyjnego w powietrzu w skali pełnego bloku.
Eksperci ds. aerotermii ukończyli także dwie kampanie testów hipersonicznych w tunelu aerodynamicznym w Centrum Badawczym Langley w Wirginii oraz w obiektach testów aerodynamicznych CUBRC w Buffalo w stanie Nowy Jork, aby przetestować różne konfiguracje utraty odbarwień oraz ulepszyć i zweryfikować modele analityczne. Przeprowadzono także badania przepuszczalności w Kratos w Alabamie, na Uniwersytecie Kentucky i w Ames, aby pomóc w dalszym scharakteryzowaniu objętości pierwiastkowej i porowatości Avcoat. Obiekt testowy Advanced Light Source, obiekt użytkownika naukowego Departamentu Energii USA w Lawrence Berkeley National Laboratory, był również używany przez inżynierów do badania zachowania się powłoki Avcoat przy nagrzewaniu na poziomie mikrostruktury.
Wiosną 2024 roku NASA powołała niezależny zespół przeglądowy, który miał przeprowadzić obszerny przegląd procesu dochodzenia, ustaleń i wyników agencji. Niezależną recenzję prowadził Paul Hill, były przywódca NASA, który po wypadku w Columbii pełnił funkcję głównego dyrektora lotu promu kosmicznego w programie Return to Flight, kierował Dyrekcją ds. Operacji Misji NASA i jest obecnie członkiem Panelu Doradczego ds. Bezpieczeństwa Lotniczego tej agencji. Przegląd trwał trzy miesiące i miał na celu ocenę stanu osłony termicznej po locie, danych dotyczących środowiska wejścia, reakcji termicznej ablatora oraz postępu badań NASA. Zespół recenzujący zgodził się z ustaleniami NASA dotyczącymi technicznych przyczyn fizycznego zachowania osłony termicznej.
Ulepszenia osłony termicznej
Wiedząc, że przepuszczalność Avcoat jest kluczowym parametrem pozwalającym uniknąć lub zminimalizować utratę odwęglenia, NASA posiada odpowiednie informacje, aby zapewnić bezpieczeństwo załogi i poprawić wydajność przyszłych osłon termicznych Artemis. W całej swojej historii NASA wyciągała wnioski z każdego ze swoich lotów i wprowadzała ulepszenia w sprzęcie i działaniu.
Dane zebrane podczas lotu testowego Artemis I dostarczyły inżynierom bezcennych informacji, które pomogą w przyszłych projektach i udoskonaleniach. Dane dotyczące osiągów lotu powrotnego na Księżyc i solidny program kwalifikacji testów naziemnych udoskonalony po doświadczeniach z lotu Artemisem I potwierdzają udoskonalenia produkcyjne osłony termicznej Oriona.
Produkowane są przyszłe osłony termiczne na potrzeby powrotu Oriona z misji lądowania na Księżycu Artemis, aby zapewnić jednorodność i stałą przepuszczalność. Program kwalifikacyjny jest obecnie realizowany wraz z produkcją bardziej przepuszczalnych bloków Avcoat w zakładzie montażowym NASA Michoud Assembly Facility w Nowym Orleanie.
