Во время миссии «Артемида I» космический корабль НАСА «Орион» имел вид как Земли, так и Луны. Фото предоставлено НАСА через AP
У побережья Нижней Калифорнии в декабре 2022 года солнце сверкало над волнистым морем, а волны плескались вокруг корабля-дока USS Portland. Чиновники ВМФ на палубе просматривали небо в поисках знака. Внезапно появилось свечение.
Сначала крошечное пятнышко, оно постепенно превратилось в круглый круг, падающий на огромной скорости с края космоса. Именно капсула НАСА «Орион» вскоре завершила 25-дневную миссию «Артемида I» вокруг Луны и за ее пределами огненным падением в море.
Вход «Ориона» в атмосферу следовал по крутой траектории: капсула падала с невероятной скоростью, прежде чем выпустить три красно-белых парашюта. Когда миссия завершила свое путешествие длиной в 270 000 миль (435 000 километров), находившимся на палубе военного корабля США «Портленд» показалось, что капсула прибыла целой.
Когда спасательная команда подняла «Орион» на палубу авианосца, по поверхности капсулы пробежали ударные волны. Именно тогда члены экипажа обнаружили большие трещины на нижней стороне «Ориона», где внешняя часть капсулы соединялась с ее тепловым экраном.
Но почему знак, выдержавший температуру около 5000 градусов по Фаренгейту (2760 градусов по Цельсию), не понесет повреждений? Кажется вполне естественным, не так ли?
Миссия «Артемида I» была прервана. Но конечная цель НАСА — отправить людей на Луну в 2026 году. Поэтому НАСА должно было позаботиться о том, чтобы повреждение капсулы — даже ее теплового экрана, который, как ожидается, получит некоторые повреждения — не поставило под угрозу жизнь будущего экипажа.
11 декабря 2022 года — во время возвращения Артемиды I — этот щит был серьезно поврежден, что задержало следующие две миссии Артемиды. Пока инженеры сейчас работают над тем, чтобы предотвратить повторение тех же проблем, новая дата запуска назначена на апрель 2026 года и быстро приближается.
Как профессор аэрокосмической техники, мне нравится исследовать, как объекты взаимодействуют с атмосферой. Артемида I предлагает особенно интересный случай и аргумент в пользу того, почему функционирующий тепловой экран имеет решающее значение для миссии по исследованию космоса.
Терпеть жару
Чтобы понять, что именно произошло с Орионом, давайте еще раз перемотаем историю назад. Когда капсула снова вошла в атмосферу Земли, она начала летать над ее верхними уровнями, действуя как батут, поглощая часть кинетической энергии приближающегося космического корабля. Этот маневр был тщательно разработан, чтобы постепенно снизить скорость Ориона и уменьшить тепловую нагрузку на внутренние слои щита.
После первого погружения «Орион» расчетным маневром отскочил обратно в космос, потеряв часть своей энергии, прежде чем снова нырнуть. Это второе погружение приведет его на более глубокие уровни с более плотным воздухом по мере приближения к океану, что еще больше снизит его скорость.
Во время падения сопротивление частиц воздуха капсуле помогло снизить ее скорость примерно с 27 000 миль в час (43 000 километров в час) до примерно 20 миль в час (32 км/ч). Но за это замедление пришлось заплатить: трение воздуха было настолько велико, что температура на нижней стороне капсулы, обращенной к воздушному потоку, достигла 5000 градусов по Фаренгейту (2760 градусов по Цельсию).
При таких палящих температурах молекулы воздуха начали расщепляться, образуя горячую смесь заряженных частиц, называемую плазмой. Эта плазма излучала энергию, которую можно было увидеть как красно-желтый зажженный воздух, который окружал переднюю часть транспортного средства и окутывал его сзади в форме свечи.
Ни один материал на Земле не может противостоять этой адской среде, не получив серьезных повреждений. Вот почему инженеры этих капсул разработали слой материала, называемый тепловым экраном, который плавится и испаряется, экономя пространство, в котором позже будут размещаться астронавты.
Теплозащитный экран «Орион» покрыт плитками из материала, который горит при сильной жаре. Фото предоставлено НАСА/Исааком Уотсоном.
Тепловой экран является важнейшим компонентом, поскольку он защищает любого, кто однажды может оказаться внутри капсулы.
Этот щит в форме оболочки охватывает широкий конец космического корабля, обращенный к набегающему потоку воздуха, — самую горячую часть корабля. Он изготовлен из материала, предназначенного для испарения и поглощения энергии, генерируемой трением воздуха о транспортное средство.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Дело Ориона
Но что на самом деле случилось с тепловым экраном Ориона во время спуска в 2022 году?
В случае с «Орионом» материал теплозащитного экрана состоит из композита смолы под названием новолак — родственника бакелита, из которого изготавливается некоторое огнестрельное оружие, — поглощенного сотовой структурой нитей стекловолокна.
Когда поверхность подвергается воздействию тепла и воздуха, смола плавится и отступает, обнажая стекловолокно. Стекловолокно вступает в реакцию с окружающим горячим воздухом и создает черную структуру, называемую углеродом. Этот углерод затем действует как второй тепловой барьер.
НАСА использовало для Ориона ту же конструкцию теплового экрана, что и для капсулы Аполлона. Но во время миссий «Аполлон» структура угольков не разрушилась, как на Орионе.
Потратив почти два года на анализ образцов обугленного материала, НАСА пришло к выводу, что команда проекта «Орион» переоценила тепловой поток, когда космический корабль проходил над атмосферой во время входа в атмосферу.
Когда Орион приблизился к верхним слоям атмосферы, щит начал плавиться, выделяя газы, которые, возможно, вышли через поры в материале. Когда капсула снова набрала высоту, внешние слои смолы затвердели, удерживая внутри тепло первого погружения. Это тепло испаряло смолу.
Во второй раз, когда капсула вошла в атмосферу, газ расширился, прежде чем найти выход при повторном нагреве — очень похоже на то, как замерзшее озеро тает из-под земли — и его выход создал трещины на поверхности капсулы, где образовавшаяся углеродная структура была повреждена. Это были трещины, которые команда спасателей увидела на капсуле после того, как она приводнилась.
На пресс-конференции 5 декабря 2024 года представители НАСА объявили, что миссия «Артемида II» будет спроектирована с измененной траекторией входа в атмосферу для предотвращения перегрева.
Для «Артемиды III», запуск которой запланирован на 2027 год, НАСА хочет использовать новые производственные процессы для щита, чтобы сделать его более проницаемым. Во время входа в атмосферу внешняя часть капсулы по-прежнему сильно нагревается, а тепловой экран продолжает испаряться. Но эти новые методы помогут космонавтам чувствовать себя комфортно в капсуле даже во время брызг воды.
Чонглин Чжан, доцент кафедры машиностроения Университета Северной Дакоты, помог в написании этой статьи.
Информация от: Разговором
