Kapsuła Orion zakończyła swoją 25-dniową misję Artemis I w 2022 r. lądowaniem na Pacyfiku, ujawniając znaczne uszkodzenia osłony termicznej.[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>NASA is now focused on enhancing heat shield designs for the upcoming manned missions to the Moon.
In December 2022, off the coast of Baja California, sunlight glinted off the rippling sea as waves lapped against the USS Portland. Navy officials on deck scanned the sky, waiting for a crucial sign. Suddenly, a distant glow emerged.
At first, it was just a tiny speck, but it rapidly expanded into a round object hurtling toward Earth from the edge of space. It was NASA’s Orion capsule, nearing the end of its 25-day Artemis I mission, which had taken it around and beyond the Moon.
Orion’s reentry followed a steep, precise trajectory. The capsule plunged through Earth’s atmosphere at astonishing speed before deploying three large red-and-white parachutes. After traveling more than 270,000 miles (435,000 kilometers), it appeared intact to those watching from the deck of the USS Portland as it splashed down into the Pacific Ocean.
Statek kosmiczny Orion rozbił się w grudniu 2022 roku, kończąc misję Artemis I.
Wyzwania związane z osłoną termiczną w podróżach kosmicznych
Gdy załoga ratownicza przeniosła Oriona na pokład lotniskowca, po powierzchni kapsuły przetoczyły się fale uderzeniowe. To wtedy członkowie załogi zaczęli dostrzegać duże pęknięcia na dolnej powierzchni Oriona, w miejscu, gdzie zewnętrzna część kapsuły łączy się z osłoną termiczną.
Ale dlaczego nie tarcza, która wytrzymała temperatury około 5000 stopni[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>Fahrenheit (2,760 degrees Celsius) sustain damage? Seems only natural, right?
O 12:40 EST11 grudnia 2022 r. należący do NASA statek kosmiczny Orion używany w ramach misji Artemis I rozbił się na Oceanie Spokojnym po 25,5-dniowej misji na Księżyc. Na zdjęciu zespół NASA ds. lądowania i odzyskiwania, marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych i partnerzy Departamentu Obrony odzyskują statek kosmiczny Orion na pokładzie USS Portland u wybrzeży Kalifornii. Źródło: NASA
Przygotowanie do przyszłych misji
Ta misja, Artemida Ibył bez załogi. Jednak ostatecznym celem NASA jest wysłanie ludzi na Księżyc w 2026 r. NASA musiała więc upewnić się, że jakiekolwiek uszkodzenie kapsuły – nawet jej osłony termicznej, która ma przyjąć pewne uszkodzenia – nie zagroziłoby życiu przyszłych osób. załoga.
11 grudnia 2022 r. – w momencie ponownego wejścia Artemidy I – tarcza ta doznała poważnych uszkodzeń, co opóźniło dwie kolejne misje Artemidy. Chociaż inżynierowie pracują obecnie nad tym, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu tych samych problemów, nowa data premiery to kwiecień 2026 r. i zbliża się ona szybko.
jako profesor technologii kosmicznejLubię badać, w jaki sposób obiekty oddziałują z atmosferą. Artemis I przedstawia jeden szczególnie interesujący przypadek – i argument przemawiający za tym, że posiadanie funkcjonalnej osłony termicznej ma kluczowe znaczenie w misji eksploracji kosmosu.
Inżynieria krytyczna za ponownym wejściem
Aby zrozumieć, co dokładnie stało się z Orionem, przewińmy historię. Gdy kapsuła ponownie weszła w atmosferę ziemską, zaczęło się muskając jego wyższe warstwyktóry działa trochę jak trampolina i pochłania część energii kinetycznej zbliżającego się statku kosmicznego. Manewr ten został starannie zaprojektowany, aby stopniowo zmniejszać prędkość Oriona i zmniejszać naprężenia cieplne wewnętrznych warstw tarczy.
Po pierwszym nurkowaniu Orion odbił się z powrotem w przestrzeń kosmiczną w skalkulowanym manewrze, tracąc część energii przed ponownym nurkowaniem. To drugie nurkowanie przeniosłoby go na niższe warstwy z gęstszym powietrzem w miarę zbliżania się do oceanu, jeszcze bardziej zmniejszając jego prędkość.
Fizyka ponownego wejścia statku kosmicznego
Podczas spadania opór cząstek powietrza działających na kapsułę pomógł zmniejszyć jej prędkość z około 43 000 kilometrów na godzinę do około 20 mil na godzinę (32 km/h). To spowolnienie miało jednak swoją cenę – tarcie powietrza było tak duże, że temperatura na dolnej powierzchni kapsuły zwróconej w stronę strumienia powietrza osiągnęła 2760 stopni Celsjusza (5000 stopni Fahrenheita).
W tych palących temperaturach cząsteczki powietrza zaczęły się rozszczepiać i a gorąca mieszanka naładowanych cząstekzwany osoczeuformowany. Plazma ta promieniowała energią, którą można było zobaczyć jako czerwono-żółte, rozpalone powietrze otaczające przód pojazdu, owijające się wokół niego w kształcie świecy.
Żaden materiał na Ziemi nie wytrzyma tego piekielnego środowiska bez poważnego uszkodzenia. Dlatego inżynierowie stojący za tymi kapsułami zaprojektowali warstwę materiału zwaną osłoną termiczną, którą należy poświęcić w wyniku topnienia i parowania, oszczędzając w ten sposób komorę, w której ostatecznie mieszczą się astronauci.
Chroniąc każdego, kto pewnego dnia może znaleźć się w kapsule, osłona termiczna jest kluczowym elementem.
To właśnie ta osłona w formie skorupy otacza szerszy koniec statku kosmicznego, zwrócony w stronę napływającego powietrza – najgorętszej części pojazdu. Wykonany jest z materiału, którego zadaniem jest odparowywanie i pochłanianie energii powstałej w wyniku tarcia powietrza o pojazd.
Badanie szkód i przyszłych korekt
Ale co tak naprawdę stało się z osłoną termiczną Oriona podczas zejścia w 2022 roku?
W przypadku Oriona materiałem osłony termicznej jest kompozyt: żywica o nazwie Novolac – spokrewniony z bakelitem, z którego wykonana jest część broni palnej – wchłaniany w strukturę plastra miodu z nici z włókna szklanego.
Gdy powierzchnia jest wystawiona na działanie ciepła i przepływu powietrza, żywica topi się i cofa, odsłaniając włókno szklane. Włókno szklane reaguje z otaczającym gorącym powietrzem, tworząc czarną strukturę zwaną zwęgleniem. Ten węgiel działa następnie jako druga bariera cieplna.
NASA zastosowała tę samą konstrukcję osłony termicznej dla Oriona, co kapsuła Apollo. Jednak podczas misji Apollo struktura zwęgleń nie uległa zniszczeniu, tak jak miało to miejsce na Orionie.
Po prawie dwóch latach spędzonych na analizowaniu próbek zwęglonego materiału NASA doszła do wniosku, że zespół projektu Orion przeszacował przepływ ciepła, gdy statek przeleciał przez atmosferę po ponownym wejściu na powierzchnię.
Gdy Orion zbliżył się do górnych warstw atmosfery, tarcza zaczęła się topić i wytwarzanych gazów które mogły wydostać się przez pory materiału. Następnie, gdy kapsuła ponownie wzniosła się na wysokość, zewnętrzne warstwy żywicy zamarzły, zatrzymując w środku ciepło z pierwszego zanurzenia. To ciepło odparowało żywicę.
Kiedy kapsuła zanurzyła się w atmosferze po raz drugi, gaz rozszerzył się, zanim znalazł drogę na zewnątrz i ponownie się nagrzał – podobnie jak zamarznięte jezioro rozmraża się od dołu do góry – a jego ucieczka spowodowała pęknięcia na powierzchni kapsuły, w których uszkodzona została struktura zwęglenia. To były pęknięcia, które ekipa ratownicza zauważyła na kapsule po rozpryskiwaniu się wody.
Na konferencji prasowej 5 grudnia 2024 r. urzędnicy NASA ogłosili, że misja Artemis II zostanie zaprojektowana ze zmodyfikowaną trajektorią ponownego wejścia, aby zapobiec gromadzeniu się ciepła.
W przypadku Artemis III, którego wystrzelenie planowane jest na 2027 r., NASA zamierza zastosować nowe metody produkcji tarczy, zwiększając jej przepuszczalność. Podczas ponownego wejścia na zewnątrz kapsuły będzie nadal bardzo gorąco, a osłona termiczna nadal będzie parować. Jednak te nowe metody pomogą zapewnić astronautom przytulność w kapsule przez cały czas wodowania.
Napisane przez Marcosa Fernandeza Tousa, adiunkta studiów kosmicznych na Uniwersytecie Północnej Dakoty.
Chonglin Zhangadiunkt inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Północnej Dakoty, pomagał w zbieraniu materiałów do tego artykułu.
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.
