НАСА подтвердило еще одну "независимую проверку" по изучению проблемы теплового щита корабля "Орион"

НАСА обратилось к группе сторонних экспертов с просьбой изучить результаты расследования агентства избыточной потери материала теплозащитного экрана космического корабля "Орион" во время испытательной миссии "Артемида-I" в 2022 году.

Куски обугленного материала треснули и откололись от теплозащитного экрана корабля "Орион" во время входа в атмосферу в конце 25-дневного беспилотного полета "Артемида-I" в декабре 2022 года. Инженеры, осматривавшие капсулу после полета, обнаружили более 100 мест, где под воздействием нагрузок при входе в атмосферу куски теплозащитного экрана откололись, при воздействии температуры более 2700° по Цельсию.

Это стало самым значительным, неприятным итогом миссии "Артемида-I". Следующая миссия "Артемида-II", запланирована на конец 2025 года. В ходе еще одного испытательного, но уже пилотируемого полета, четыре астронавта облетят Луну.

Еще одна "пара глаз"

Тепловой экран, изготовленный из материала под названием Avcoat, прикрепляется к основанию космического корабля «Орион» в виде 186 блоков. Avcoat предназначен для контролируемой абляции или эрозии во время входа в атмосферу. Вместо этого от теплозащитного экрана отвалились фрагменты, которые оставили углубления, напоминающие выбоины.

Исследователи все еще ищут первопричину проблемы с теплозащитным экраном. После миссии "Артемида-I" инженеры провели субмасштабные испытания теплозащитного экрана "Орион" в аэродинамических трубах и высокотемпературных электродуговых установках. По словам представителя агентства Рейчел Крафт, НАСА воссоздало явление, наблюдавшееся на последнем этапе "Артемида-I", в ходе этих наземных испытаний.

"В настоящее время команда обобщает результаты различных тестов и анализов, на основе которых разрабатывается ведущая теория о причинах неполадок", - сказала Рейчел Крафт, представитель НАСА.

В первую неделю мая 2024 года, спустя почти полтора года после полета "Артемида-I", общественность впервые получила представление о состоянии теплозащитного экрана корабля "Орион" благодаря послеполетным фотографиям, опубликованным в отчете генерального инспектора НАСА. Камеры на борту капсулы "Орион" также зафиксировали, как куски теплозащитного экрана откалывались от космического корабля во время прохода через атмосферу. (Наш материал про этот отчет: https://t.me/artemismoon/1803)

Генеральный инспектор НАСА заявил, что проблема потери материала экрана "создает риск того, что теплозащитный экран может недостаточно защитить капсулу корабля и экипаж от экстремального нагрева при входе в атмосферу во время будущих миссий".

"Эти фотографии мы видели их практически сразу, как они были сделаны, но что важно, мы их видели и мы осознаем проблему", - сказал Виктор Гловер, пилот миссии "Артемида-II", в недавнем интервью Arstechnica. "Я видел тепловой экран больше раз, чем любую другую фотографию или отчет, и это действительно то, что заинтересовало меня в своих деталях".

Теперь результаты расследования НАСА будет изучать другая команда.

"В конце апреля 2024 года НАСА сформировало независимую группу, в которую вошли эксперты, не входящие в штат агентства, для проведения независимой оценки результатов расследования", - сказал Крафт в заявлении для Arstechnica. "Их обзор, который планируется завершить этим летом, гарантирует, что НАСА правильно поймет сложившиеся условие и примет корректирующие меры для "Артемида-II" и будущих миссий".

Джим Фри, помощник главы НАСА, сказал Aerospace America, что эта независимая группа экспертов станет "еще одной парой глаз" по оценке программы. "Нам нужен еще кто-то, кто бы следил за нами с независимой точкой зрения, задавал хорошие вопросы и мог сказать: "Эй, вот вам еще несколько версий случившегося". Надеюсь, группа экспертов закончит работу в конце июня 2024 года", - сказал Фри.

Луис Сауседо, инженер НАСА в Космическом центре имени Джонсона, руководит внутренним расследованием потери материала теплового щита "Орион". В НАСА ответили на вопрос Arstechnica о том, кто возглавляет независимую группу экспертов.

"Мы действительно тщательно подошли к этому вопросу. Но, честно говоря, это были лётные испытания", - сказал Фри в интервью Aerospace America. "Это то, чем была первая миссия и это то, чем должна быть вторая миссия: еще одним лётным испытанием. Поэтому мы должны подходить к решению всех вопросов именно так. Тепловой экран был лишь наиболее заметной выявленной проблемой".

Сложная проблема

Среди четырех членов экипажа миссии "Артемида-II" Виктор Гловер тот астронавт, который наиболее внимательно следит за ходом расследования по тепловому щиту.

"У нас много людей, которым мы доверяем", - сказал Гловер. "У нас есть нужные люди. Если есть решение, то мы его найдем".

Но решение будет найдено только после того, как НАСА определит, что стало причиной того, что теплозащитный экран космического корабля "Орион" работает не так, как он задуман. И нет никакой гарантии, что НАСА найдет окончательную первопричину. Хотя инженеры воссоздали потерю материала на участках теплозащитного экрана "Ориона" в ходе наземных испытаний, они не могут проверить весь теплозащитный экран диаметром 16,5 футов (5 метров) на Земле или воспроизвести точную реакцию материала или условия полета, с которыми столкнулась "Артемида-I".

"Нам приходится делать много экстраполяций для масштаба", - сказал Джереми Вандер Кам, заместитель менеджера по теплозащитному экрану корабля "Орион" в Исследовательском центре НАСА имени Эймса, вскоре после завершения миссии "Артемида-I" в 2022 году. "Наши испытательные стенды не могут достичь того сочетания теплового потока, давления, сдвиговых напряжений и т.д., которое имеет место быть в реальном спускаемом аппарате. Нам всегда приходится ждать лётных испытаний, чтобы получить окончательное подтверждение того, что наша система готова к работе".

Несмотря на недостатки наземных испытаний, инженерам удалось кое-что узнать о теплозащитном экране "Ориона".

«Я думаю, что мы выяснили некоторые очень важные аспекты того, что создает эти трещины и что создает силу, удаляющую части, которые трескаются», — сказал Гловер. «Я думаю, мы понимаем некоторые из этих механизмов».

Космический корабль "Орион", возвращающийся на Землю от Луны, входит в атмосферу примерно на 40 процентов быстрее, чем космический корабль Crew Dragon компании SpaceX, возвращающийся с низкой околоземной орбиты. Поэтому инженеры пока работают с данными только одного полета, миссии "Артемида-I", оценивая теплозащитный экран "Ориона".

"Мы можем прийти к тому моменту, когда поймем, что есть некоторые вещи, которые пока невозможно познать", - сказал Гловер. "Возможно, есть детали, которые мы не можем понять на Земле или в аэродинамической трубе".

"Артемида-II" будет лететь вокруг Луны по другому маршруту, не как "Артемида-I". Вместо того чтобы выйти на лунную орбиту, "Артемида-II" облетит Луну по так называемой траектории свободного возвращения. Гловер и три члена его экипажа станут первыми людьми, пролетевшими вблизи Луны с 1972 года, и, в зависимости от точной траектории полета (которая меняется в каждое окно запуска), смогут удалиться от Земли дальше, чем кто-либо из людей в истории.

После 10 дней пребывания в космосе астронавты "Артемида-II" войдут в атмосферу и на парашюте приводнятся в Тихий океан. Хотя план полета отличается от "Артемида-I", космический корабль "Орион" миссии "Артемида-II" вернется на Землю примерно на той же скорости 25 000 миль в час (40 000 км в час). Это подвергнет теплозащитный экран точно таким же тепловым нагрузкам, какие он испытывал в миссии "Артемида-I".

"Это очень, очень сложная вещь", - говорит Гловер. "Один только тепловой поток действительно сложно понять — физические динамические силы всего этого ветра и плазмы, кружащихся вокруг. Представьте, что вы смотрите на бушующую реку, бурную реку, и пытаетесь проанализировать только одну точку. Что происходит конкретно в этом месте, в определенный момент времени? Воссоздайте его. Нарисуйте его. Это действительно сложно".

Первые два испытательных полета "Артемиды" - это предвестники будущей высадки людей на лунную поверхность. Космический корабль "Орион" и ракета-носитель Space Launch System являются центральными элементами новой лунной программы, обеспечивая астронавтов транспортом для полетов к Луне и обратно на Землю.

Какие есть варианты решения проблемы? 

Потенциальные варианты решения проблемы теплового экрана "Артемида-II" включают в себя изменение траектории движения космического аппарата при входе в атмосферу или внесение изменений в сам тепловой экран. Другим вариантом может быть просто ничего не предпринимать и провести миссию "Артемида-II" как есть. До сих пор представители НАСА открыто не обсуждали возможность пересмотра всего плана полета "Артемида-II" для достижения других целей, не связанных с полетом вокруг Луны.

Тепловой экран миссии "Артемида-II" уже установлен на космическом корабле "Орион", проходящем предполетные испытания в Космическом центре НАСА имени Кеннеди во Флориде. Модификация теплозащитного экрана сейчас потребует демонтажа модуля экипажа "Ориона" от Европейского служебного модуля, что, вероятно, отложит запуск "Артемида-II" на год или более от запланированного на сентябрь 2025 года срока.

Теплозащитные экраны для последующих космических кораблей "Орион" также могут потребовать перепроектирования.

Во время полета по программе "Артемида-I" корабль "Орион" использовал траекторию с отскоком при вхождении в атмосферу: он погружался в атмосферу, потом возвращался в космос, а затем совершал финальный спуск в атмосферу, подобно "камню-блинчику", перепрыгивающему через пруд. Такая схема прохождения атмосферы позволяет "Ориону" совершать более точные посадки вблизи спасательных команд в Тихом океане и снижает перегрузки на космический корабль и находящийся в нем экипаж. Это также разделяет тепловую нагрузку на космический корабль на две фазы.

НАСА может выбрать и другие траектории входа в атмосферу.

"Вы можете совершить баллистическую посадку, при которой корабль движется с постоянной скоростью", - говорит Гловер. "Это очень высокая перегрузка. Это очень тяжело для экипажа, но это один из видов прохождения атмосферы. Затем есть вход, который называется прямым (direct). На самом деле не "прямо", но называется так. Это своего рода мини-отскок. Это не такой большой подъем высоты после "отскока". И еще есть отскок, где у вас почти два входа обратно в космос. Вот такие варианты".

По сути, эти различные типы траекторий возвращения заставляют космический корабль "Орион" пролетать через атмосферу под разными углами. Для каждой траектории существует свое расстояние от точки, где капсула впервые сталкивается с верхней границей атмосферы.

"Вы можете регулировать дальность и уменьшать ее, и это может уменьшить энергию, передаваемую на аппарат, на тепловой экран, но у вас все равно будет импульсный нагрев", - говорит Гловер. "Но это не просто тепло. Есть еще и физическая сила. Это трение, которое создает плазменное поле. Так что здесь есть и механическая составляющая".

Но изменение угла входа "Ориона" в атмосферу во время "Артемида-II" может не решить проблему. Материал теплозащитного экрана во время "Артемида-I" начал отделяться от космического корабля уже на ранней стадии входа в атмосферу.

"Мы увидели разрушение щита очень рано во время "Артемида-I", - говорит Гловер. "Если разрушительные процессы начинаются очень рано, нет никакой гарантии, что изменение траектории - это выход. Это что-то изменит, но не обязательно исправит. Поэтому нам нужно понять первопричину, если это возможно".

По завершении расследования повреждений экрана, менеджеры НАСА начнут строить то, что они называют "обоснованием полета". По сути, это процесс убеждения себя в том, что космический корабль может лететь при определенных условиях.

"Мы уже начали окунаться в обоснование полета - как мы делаем отскок. Делать ли нам отскок? Как мы можем провести миссию по-другому?" - говорит Фри.

"Изменения в траектории входа в атмосферу влияют на то, как быстро нагревается теплозащитный экран при входе в атмосферу. Но пиковые температуры примерно одинаковы для каждого варианта траектории", - отметил Гловер.

"Это все еще может быть вход с отскоком. Это может быть и прямое вхождение", - сказал Гловер. "Баллистическая траектория, очевидно, будет короче (по продолжительности и дальности полета). Дальность полета по ней составляет около 6500 километров, но мы можем уменьшить ее и попытаться вписаться в 3200 или 2900 километров, и это, соответственно, повлияет на тип захода - прямой или с отскоком. То, как вы летите с отскоком, куда вы помещаете вектор подъемной силы, определяет, как высоко вы "отскочите" и как далеко уйдете от точки посадки".

Источник: https://arstechnica.com/space/2024/05/nasa-confirms-independent-review-of-orion-heat-shield-issue/