Пилотируемый исследовательский корабль"Орион"

Алло, алло, Джеймс, какие вести?

Давно я дома не была,

Пятнадцать дней, как я в отъезде,

Ну, как идут у нас дела?

Все хорошо, прекрасная маркиза,

Дела идут и жизнь легка,

Ни одного печального сюрприза,

За исключением пустяка:

Так, ерунда, пустое дело,

Кобыла ваша околела,

А в остальном, прекрасная маркиза,

Все хорошо, все хорошо!

По мнению специалистов из США пилотируемый исследовательский корабль «Орион», на сегодняшний день, является самым современным и технически совершенным космическим кораблём. 

"Ни один другой разрабатываемый космический корабль не обладает технологиями, необходимыми для экстремальных условий дальнего космоса, такими как жизнеобеспечение, навигация, связь, защита от радиации и самым большим в мире теплозащитным экраном, который защитит астронавтов и поможет им благополучно вернуться домой."

Попробуем рассказать, что же случилось с этим кораблём во время первого тестового полёта миссии Артемида-1 и почему он пока не годится для дальнего космоса. 

Как вы знаете, в своем последнем выступлении руководитель НАСА Билл Нельсон назвал перенос сроков "Артемиды" заботой о безопасности астронавтов, на самом деле это умышленное искажение информации. Это даже не "хорошая мина при плохой игре", это уже похоже на попытку выдать желаемое за действительное. Он пытался убедить, что всё прошло просто отлично, но на самом деле это не так. Опыт эксплуатации космической техники показывает, что совсем без замечаний не обходится ни один пуск. Более того, создатели ракетно-космической отрасли больше всего "боятся", когда нет никаких замечаний! Главное, чтобы все эти так называемые нештатные ситуации были расчетными. То есть заранее предусмотрены при проектировании и персонал ЦУП-а всегда под рукой имел бы разработанный план действий по локализации и устранению подобного рода аварийных ситуаций.

"Производительность ”Ориона" превзошла все ожидания", — заявил журналистам Говард Ху, менеджер программы "Орион", на брифинге НАСА, посвященном обсуждению результатов "Артемиды-1". "Было выполнено более 160 задач летных испытаний, из которых 21 была добавлена в ходе миссии, поскольку менеджеры добились "лучшей производительности, чем ожидалось", сказал он. Беспилотная капсула корабля "Орион" приводнилась в Тихом океане 11 декабря 2022 года после 26-дневного полета на Луну и обратно.

Однако в ходе анализа капсулы специалисты заметили некоторые нерасчётные изменения теплозащитного экрана "Ориона". 
"Часть теплозащитного материала улетучилась не так, как показывали наши компьютерные модели и наземные испытания", — сказал Ху. "При входе в атмосферу выделилось больше теплозащитного материала, чем мы ожидали. Начато специальное расследование, НАСА "усердно работает, чтобы узнать об этом больше", в целом "предстоит проделать большую работу чтобы выяснить причины", — объяснил он, добавив, что сопоставление соответствующих данных, большая задача. Нам предстоит выяснить какое количество материала оторвалось — "это анализ, который нам нужно провести", — сказал Ху. Исследователям предстоит индивидуально изучить каждый блок теплозащитного экрана, которых насчитывается более 180.

Более подробно оценить степень повреждения вы сможете посмотрев это видео: Orion Heatshield Aftermath Following Lunar Return | Artemis I

Справка.

ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА космических аппаратов (КА), предназначена для защиты систем и агрегатов КА (в т. ч. спускаемого аппарата) от аэродинамического нагрева на участке спуска и торможения в плотных слоях атмосферы, а также для обеспечения комфортных условий экипажу КА. Конструкция ТЗ. и состав теплозащитных материалов определяются скоростью входа КА в атмосферу, баллистическими характеристиками (угол входа в атмосферу, траектория спуска), аэродинамической формой и массой КА.

Беспилотный космический корабль "Орион" был запущен к Луне 2022 году в рамках миссии "Артемида I". Одна из целей этой миссии заключалась в тестах теплозащитного экрана "Ориона". Джо Бомба и Дэймон Эрб, два инженера, возглавляющие процесс разработки теплозащитного экрана корпорации Lockheed Martin.

"Космические полеты — это на самом деле управление энергопотоками", — говорит говорит Джо Бомба, старший авиационный инженер Lockheed Martin. "Мы проектируем системы, необходимые для того, чтобы сделать возможными и эффективными процессы управления и распределения энергии, необходимые для достижения целей миссии и мы проектируем транспортное средство таким образом, чтобы от конструкции до проектирования подсистем и эксплуатации, свести к минимуму или смягчить воздействие окружающей среды, возникающее в результате этих процессов".

В настоящее время известно шесть способов отвода (поглощения) теплоты:

− теплопроводностью с использованием теплоемкости конденсированных веществ;

− конвекцией;

− массообменном;

− излучением;

− с помощью электромагнитных полей;

− за счет физико-химических превращений.

При конструктивном решении проблем тепловой защиты в начале 50-х годов были предложены различные схемы, включая и такие, в которых используются реагирующие, сублимирующие и плавящиеся материалы, или так называемая уносимая тепловая защита, разрушение которой в процессе нагрева заранее предполагается и происходит упорядоченным образом. На практике часто встречаются комбинации двух или более из указанных способов. Например, для защиты многоразового космического корабля "Буран" от солнечного излучения и аэродинамического нагрева, в основном, применялись два типа покрытий, нанесенных на высокопористый, волокнистый материал. Белое покрытие верхней части аппарата, обладая низкой степенью черноты в видимом диапазоне спектра и большими значениями в инфракрасной области, применяется для защиты от радиационных потоков излучения Солнца, а черное, с высокой интегральной излучательной способностью, достаточно эффективно излучает тепло, полученное за счет аэродинамического нагрева нижней части космического аппарата.

Почему при производстве теплозащитного покрытия орбитального корабля «Буран» отказались идти по американскому пути

Из воспоминаний Каблова Евгения Николаевича.

«Доспехи для Бурана. Материалы и технологии ВИАМ для МКС "Энергия-Буран"».

"Мне предстояло срочно решить, по какому направлению идти при разработке эрозионностойких покрытий для отечественной плиточной теплозащиты «Бурана»: взять американский вариант или продолжить исследования двухслойных покрытий, предложенных нами Г. Е. Лозино-Лозинскому на еженедельных совещаниях в его кабинете по средам. В ВИАМе А. Ю. Берсеневым с сотрудниками были проведены эксперименты по варке реакционно отверждаемого стекла. Эксперименты подтвердили наши предположения о нестабильности его свойств и состава из-за высокого содержания борного ангидрида. Другим противопоказанием были очевидные трудности организации промышленного производства этого стекла. В нашей стране не имелось соответствующих производств, специалистов, а главное — людей, заинтересованных в сложной и ответственной работе по поставке Тушинскому машиностроительному заводу (ТМЗ), которому было поручено изготовление «Бурана», крупных промышленных партий реакционно отверждаемого стекла. Кроме того, разработка технологии получения этого стекла в лабораторных условиях, как и последующие создание и организация его серийного производства, потребовали бы очень много времени, могли привести к срыву всех сроков изготовления «Бурана».

В институте имелась американская плитка с покрытием на основе реакционно отверждаемого стекла. Внешний вид покрытия не создавал впечатления о высоком качестве и однородности защитного слоя. Покрытие шероховатое, пористое, поверхность неровная, разнотонная по цвету, углы плитки с усадками. Все эти факторы подвигнул и меня на принятие рискованного решения: во-первых, отказаться от американской технологии получения реакционно отверждаемого стекла и покрытия на его основе и, во-вторых, разработать составы и технологии отечественных покрытий для плиточной теплозащиты «Бурана».

Американцы много писали о необходимости соблюдать высокую степень чистоты при производстве теплозащитных плиток из кварцевого волокна. Для обеспечения чистоты в производственных помещениях они использовали комплекс мероприятий: спецодежду и обувь, многократную мокрую уборку, специальную футеровку и безопасные нагреватели в печах, контроль атмосферы печей и др. В радиусе около километра от завода, где изготавливалась «Колумбия», были удалены все цветы и скошены травы, дающие пыльцу при цветении."

В настоящее время в качестве форм-кандидатов пилотируемых спускаемых аппаратов нового поколения, предполагаемых к использованию как для полетов к Международной космической станции (МКС), будущих орбитальных станций, так и для экспедиций к Луне и Марсу, в первую очередь рассматриваются аппараты капсульного типа, в том числе сегментально-конической формы. Спускаемые аппараты сегментально-конической формы обладают высокой надежностью, технологичностью изготовления, на них может быть установлена многоразовая тепловая защита (по крайней мере, для полета на МКС). Благодаря своей компактности они хорошо подходят для полетов к Луне и Марсу. При гиперболическом входе в атмосферу Земли (при возвращении из экспедиций на Луну и Марс) возвращаемые аппараты (ВА) такого типа в части веса теплозащиты конкурентоспособны с аппаратами других типов, в частности, аппаратами типа «несущий корпус». Важным фактором, повышающем надежность проектируемых ВА, является также долгая эксплуатация аппарата «Союз», а также успешные полеты американского аппарата «Аполлон» к Луне. 

 «Мы использовали наследие программы "Аполлон" для создания формы "Ориона", которая очень эффективна при передаче энергии за счет своей тупой формы, что дает нам необходимое сопротивление или замедление», — объясняет Джо. «Мы также минимизируем количество энергии при передаче, которая реабсорбируется из атмосферы в ВА».

Процент реабсорбции составляет менее 10%, но это все равно огромное количество энергии. Температура поверхности остается на уровне нескольких тысяч градусов, этого достаточно, чтобы расплавить основную конструкцию капсулы, в которой находится экипаж. Материал термозащиты абляционного экрана предотвращает это. Его конструкция и материалы смягчают воздействие высоких температур и обеспечивают защиту капсулы.

При вхождении в плотные слои атмосферы со скоростью 8…12 км/с давление и температура воздуха на поверхности спускаемых космических аппаратов (СКА) со стороны набегающего потока достигают высоких значений. Длительность приземления при возникающих тепловых потоках оказывается достаточной для деструкции любого из известных материалов — как конструкционных, так и теплоизолирующих. Поэтому в СКА применяется особая лобовая теплозащита абляционного типа.

Пилотируемый исследовательский корабль"Орион" построен на базе программы "Аполлон"

Тепловой экран программы "Аполлон" послужил основой для теплового экрана Ориона, но Orion предназначен для исследования дальнего космоса не только для полётов на Луну, но и на Марс и за его пределы. Инженеры Lockheed Martin внесли некоторые изменения, чтобы сделать его самым безопасным космическим кораблем для исследования человеком, когда-либо построенным.

Далее инженеры Локхид Мартин передают привет всем особо одарённым разгоняющим миф о том, что "Ангара" и ПТК-НП (Федерация, Орёл) устарели.

Справка.

AVCOAT 5026-39 — это код NASA для специального материала ablative теплозащитного экрана, созданного Avco приобретенного Textron в 1984 году). Это эпоксидная смола со специальными добавками в сотовой матрице из стекловолокна. При изготовлении пустые соты соединяются с первичной структурой, и смола распыляется в каждую ячейку индивидуально. AVCOAT использовался для теплозащитного экрана в командном модуле "Апполон" НАСА. В окончательном виде этот материал получил название AVCOAT 5026-39.

AVCOAT не использовался для орбитальных челноков Space Shuttle, НАСА использует этот материал для своего космического корабля Orion следующего поколения. Состав Avcoat, который будет использоваться на Orion, изменен в соответствии с экологическим законодательством, принятым после окончания программы "Аполлон".

В лобовом щите пилотируемого исследовательского корабля "Орион" — TPS по-прежнему используется тот же абляционный материал под названием AVCOAT, который использовался в миссиях "Аполлон", но процесс сборки изменился. Вместо того, чтобы рабочие заполняли 300 000 сотовых ячеек одну за другой абляционным материалом, затем подвергали материал термической обработке и придавали ему нужную форму, команда теперь производит блоки AVCOAT – всего менее 200 – которые предварительно обрабатываются для установки на место и приклеиваются к поверхности теплозащитного экрана из углеродного волокна.

"Это усовершенствование позволяет нам строить конструкцию теплозащитного экрана и блоки TPS параллельно, вместо того, чтобы ждать прибытия конструкции и начинать сборку TPS", — говорит Деймон Эрб, сертифицированный главный инженер Локхид Мартин по теплозащитным экранам, который курирует проектирование, разработку, изготовление, тестирование и установку теплозащитных экранов Orion. "И это существенно ускоряет процесс "надевания" защитного покрытия – примерно на двадцать пять процентов". По подсчётам специалистов НАСА это нововведение обеспечит экономию средств и сократит текущее время изготовления базового теплозащитного экрана примерно на 60 дней.

Exploration Flight Test 1 или EFT-1 был первым тестовым полетом космического корабля Орион. После этого испытательного полета были выявлены проблемы с растрескиванием материала теплозащитного экрана и он был изменён. Именно тогда было решено разделить его на сегменты для уменьшения времени сборки. Во время изготовления экрана для миссии EFT-1 при отверждении его печи в 2013 году между дном в форме тарелки, изготовленным из титана и углеродного волокна, и ячеистой структурой, заполненной Avcoat, модернизированной версией покрытия программы "Аполлон" образовались трещины. Управление государственной отчетности (GAO) в отчете за 2014 год назвало трещины главной проблемой. Тогда эти трещины были устранены путем склеивания Avcoat. Затем экран прошел стресс-тесты, чтобы убедиться, что он выдержит во время полета EFT-1.

"Во время первого полета (EFT-1) тепловой экран показал себя близко к тому, что мы ожидали", — говорит Марк С. Гейер. Он возглавлял Космический центр Джонсона НАСА в качестве 12-го директора в этой должности с 25 мая 2018 года, пока не ушел в отставку по состоянию здоровья 3 мая 2021 года. С 2005 по 2007 год Марк Гейер занимал должность заместителя руководителя программы Constellation, прежде чем перейти на должность менеджера программы Orion, которую он занимал до 2015 года. Под руководством Гейера Orion был успешно испытан в космосе в экспериментальном полёте Exploration Flight Test-1 в 2014 году. 

Теплозащитный экран Orion EFT-1 столкнулся с двумя основными проблемами при сертификации: во-первых, механические свойства материала заложенные при проектировании не отрабатывали в летном изделии, и, во-вторых, само летное изделие треснуло во время изготовления. Сочетание этих событий побудило программу "Орион" провести вероятностную оценку рисков инженерного уровня (PRA) в рамках обоснования сертификации теплозащитного экрана. В PRA были предоставлены вероятности потери работоспособности миссии (LOM) с учетом вероятности возникновения трещины во время миссии и вероятности последующего перегрева конструкции. Представлены методы и входные данные для PRA, а также приведены данные испытаний, использованные для закрепления результатов. Программа "Orion" приняла риск потери транспортного средства EFT-1 (LOV) в размере 1 к 160 000 из-за растрескивания покрытия в ходе миссии на основе результатов этого анализа. Также рассматривались более консервативные прогнозы и соображения относительно будущих исследовательских миссий (EM).

"Мы знали, что если не устраним проблему с прочностью (теплозащитного экрана), это не сработает для EM-1", — говорит Гейер.

Выступая перед журналистами во время брифинга после окончания миссии "Артемида-1", Джим Фри, заместитель администратора управления по разработке исследовательских систем НАСА, сказал, что подготовка к "Артемиде-2" "продолжает продвигаться вперед" и что сейчас "время для сохранения нашей бдительности”, чтобы "мы понимали риски, на которые идем". Обнадеживает то, что в послеполетном анализе "Артемиды-1" нет ничего, что давало бы НАСА какие-либо основания для изменения даты запуска "Артемиды-2", которая намечена на конец ноября 2024 года (на тот момент), сказал Фри.

Пилотируемый исследовательский корабль"Орион" это не просто корабль, который должен доставить астронавтов на орбиту Луны. Это "самый современный и технически совершенный космический корабль", который изначально разрабатывался для дальнего космоса, то есть для полёта, как минимум на Марс. Но как видно из материала у этого "самого-самого" корабля не решена ключевая проблема с безопасностью в результате теплового нагрева материала и именно поэтому он пока не годиться для полётов в глубокий космос.