Напередодні старту місії Artemis-2 фахівці знову згадали про проблеми з тепловим екраном корабля Orion. Він має захищати астронавтів під час входу в атмосферу Землі після повернення з подорожі навколо Місяця.
Проблеми з теплозахисним екраном у минулих місіях
Експедиція Artemis-2 на відстань у чверть мільйона миль є сміливою, але саме останні п’ять хвилин місії можуть викликати найбільше занепокоєння щодо безпеки астронавтів.
Під час безпілотного випробувального польоту космічного корабля Orion у 2022 році вперше були виявлені проблеми з його теплозахисним екраном. Саме ця частина корабля приймає на себе основний удар розпеченого тепла, якому капсула піддається під час входу в атмосферу Землі.
Коли інженери оглянули теплозахисний екран Orion з місії Artemis-1 2022 року, вони виявили, що великі шматки матеріалу відпали. Побоювання полягали в тому, що якщо це повториться під час пілотованої місії Artemis-2, це може піддати внутрішню частину капсули небезпечно високим температурам. З найперших днів пілотованих космічних польотів інженери захищали капсули від екстремального нагрівання під час входу в атмосферу за допомогою абразивних теплозахисних екранів, виготовлених із матеріалу, який рівномірно згорає, коли капсула проривається крізь атмосферу.
Щоб задовольнити вимоги до багаторазового «космічного човника», NASA розробила неймовірну систему теплозахисного екрана, виготовлену з надлегких плиток зі волокон кремнезему, покритих склом. Хоча цей теплозахисний екран мав надзвичайні теплові властивості, він також був дуже крихким і вимагав ретельного технічного обслуговування після кожного польоту «човника». Саме пошкодження цієї крихкої та незахищеної системи захисту стало причиною трагічної загибелі Columbia у 2003 році. Для програми Artemis NASA повернулася до концепції абразивного теплозахисного екрана.
Нова структура теплозахисного екрана для корабля Orion
Теплозахисний екран капсули Orion виготовлений із матеріалу Avcoat — модернізованої версії покриття, яке свого часу розробили для програми Apollo. Хоча NASA розглядала й новіші альтернативи, зрештою вибір зупинили на матеріалі, що вже довів свою надійність під час польотів у межах місій Apollo.
Однак конструкція теплозахисного екрана Orion відрізняється від тієї, що використовувалася в Apollo. Екран кораблів Apollo являв собою суцільну стільникову матрицю, яка складалася приблизно з 320 тис. окремо заповнених шестикутних комірок. Натомість для Orion NASA обрала іншу конфігурацію — близько 180 окремих блоків, що мало зробити теплозахист ефективнішим і простішим для відтворення у виробництві.
Цей теплозахисний екран вперше випробували 2014 року, коли безпілотну капсулу Orion запустила ракета Delta IV на апогей висотою 3600 миль. Під час повернення капсула пролітала крізь атмосферу за температури близько 2200 °C (4000 °F), але теплозахисний екран довів свою здатність витримати таке пекло.
Наступним випробуванням капсули Orion стала місія Artemis-1 2022 року. Це був перший політ потужної ракети Space Launch System і безпілотна демонстрація місії, запланованої для Artemis-2. Пролітаючи через атмосферу Землі з набагато більшої відстані, ніж під час першого випробування, космічний апарат досяг температури близько 2800 °C (5000 °F). Саме тут і виникли перші побоювання щодо теплозахисного екрана Avcoat.
Замість того щоб рівномірно згорати по всій поверхні, частини теплозахисного екрана Artemis-1 несподівано відпали нерівними шматками. Така нерівномірна абляція ускладнює прогнозування теплових навантажень під час входу в атмосферу та підвищує ймовірність того, що капсула Orion може зазнати нагрівання до небезпечних рівнів.
Причини нерівномірного згоряння теплових екранів
Під час розслідування було встановлено, що причиною цієї нерівномірної абляції стало нерегулярне вивільнення газів, уловлених у матеріалі теплозахисного екрана, що посилилося через профіль «скіп», прийнятий для цієї місії.
За профілем «скіп» Orion спочатку злегка торкається краю атмосфери, щоб уповільнитися. Потім використовує аеродинамічну підйомну силу капсули, щоб «відскочити» назад з атмосфери, після чого знову входить у неї для остаточного спуску на Землю. Профіль «скіп» отримав таку назву, оскільки дещо нагадує камінь, що стрибає по поверхні ставка.
Дослідники NASA виявили, що коли швидкість нагрівання зменшувалася в період між зануреннями в атмосферу, теплова енергія накопичувалася всередині матеріалу Avcoat. Це призводило до накопичення газів і, своєю чергою, до підвищення внутрішнього тиску, що спричиняло утворення тріщин і нерівномірне відшарування матеріалу.
Необхідні вдосконалення
З урахуванням досвіду, здобутого під час польоту Artemis I, NASA застосувала низку заходів для підвищення безпеки екіпажу Artemis II. Для першого пілотованого польоту в межах програми агенція зберегла теплозахисний матеріал Avcoat, але оновила конструкцію блоків, щоб поліпшити відведення газів під час входу в атмосферу.
Крім того, замість профілю входу типу «скіп» NASA обрала для капсули Orion більш прямолінійний режим входу в атмосферу. Це зменшує невизначеність у профілі нагрівання та скорочує час, протягом якого ув’язнені гази перебувають під дією пікових температур і можуть пошкодити теплозахисний екран. Водночас екіпаж зазнаватиме більшого перевантаження під час входу в атмосферу.
Безпека понад усе
У найдраматичніший момент фільму Apollo-13 керівник польоту Джин Кранц виголошує знамениту фразу на адресу команди центру управління польотами: «Поразка — не варіант». Хоча ця фраза насправді була вигадана сценаристами фільму, вона стала не лише другою за популярністю цитатою з фільму, а й своєрідним девізом самої NASA.
Ніде це не проявляється так яскраво, як у випадку з теплозахисним екраном Artemis II. Під час завершальної фази місії в екіпажу не буде ані запасного варіанту, ані плану дій на випадок непередбачених обставин, ані можливості врятуватися. Четверо астронавтів на борту покладатимуться лише на кілька сантиметрів покритого смолою кремнеземного матеріалу, який має захистити їх від температур, що сягають майже половини температури поверхні Сонця.
Космічні польоти людей завжди супроводжувалися обґрунтованими ризиками, але водночас давали нам унікальну перспективу щодо нашого місця у Всесвіті. Місія Artemis-2 зробить її екіпаж першими людьми за понад пів століття, які на власні очі побачать блакитну кульку планети Земля у всій її повноті.
Екіпаж нестиме з собою надії та прагнення нового покоління дослідників. Безпечне повернення астронавтів Artemis-2 залежатиме від ретельної роботи тисяч науковців та інженерів, а разом із ним вони принесуть новий людський погляд не лише на Місяць, а й на планету, яку всі ми називаємо домівкою.
За матеріалами phys.org
