В преддверии старта миссии Artemis-2 специалисты снова вспомнили о проблемах с тепловым экраном корабля Orion. Он должен защищать астронавтов при входе в атмосферу Земли по возвращении из путешествия вокруг Луны.
Проблемы с теплозащитным экраном в прошлых миссиях
Экспедиция Artemis-2 на расстояние в четверть миллиона миль смела, но именно последние пять минут миссии могут вызвать наибольшее беспокойство относительно безопасности астронавтов.
Во время беспилотного испытательного полета космического корабля Orion в 2022 году впервые были выявлены проблемы с его теплозащитным экраном. Именно эта часть корабля принимает на себя основной удар раскаленного тепла, которому капсула подвергается при входе в атмосферу Земли.
Когда инженеры осмотрели теплозащитный экран Orion с миссии Artemis-1 2022, они обнаружили, что большие куски материала отпали. Опасения заключались в том, что если это повторится во время пилотируемой миссии Artemis-2, это может подвергнуть внутреннюю часть капсулы опасно высоким температурам. С первых дней пилотируемых космических полетов инженеры защищали капсулы от экстремального нагревания при входе в атмосферу с помощью абразивных теплозащитных экранов, изготовленных из равномерно сгорающего материала, когда капсула прорывается сквозь атмосферу.
Чтобы удовлетворить требования к многоразовому «космическому челноку», NASA разработала невероятную систему теплозащитного экрана, изготовленную из сверхлегких плиток из кремнеземных волокон, покрытых стеклом. Хотя этот теплозащитный экран обладал исключительными тепловыми свойствами, он также был очень хрупким и требовал тщательного технического обслуживания после каждого полета «челнока». Именно повреждение этой хрупкой и незащищенной системы защиты стало причиной трагической гибели Columbia в 2003 году. Для программы Artemis NASA вернулась к концепции абразивного теплозащитного экрана.
Новая структура теплозащитного экрана для корабля Orion
Теплозащитный экран капсулы Orion изготовлен из материала под названием Avcoat, созданного на основе материала, первоначально разрабатываемого для программы Apollo. Хотя NASA рассматривала и другие, более новые материалы для теплозащитного экрана Orion, в итоге был выбран материал, уже доказавший свою надежность во время полетов в рамках миссий Apollo.
Однако конструкция теплозащитного экрана Orion отличается от той, что использовалась в программе Apollo. Экран кораблей Apollo представлял собой сплошную сотовую матрицу, состоявшую примерно из 320 тыс. отдельно заполненных шестиугольных ячеек. Вместо этого для Orion NASA выбрала другую конфигурацию — около 180 отдельных блоков, что должно было сделать теплозащиту более эффективной и простой для воспроизведения в производстве.
Этот теплозащитный экран впервые был испытан в 2014 году, когда беспилотную капсулу Orion запустила ракета Delta IV на апогей высотой 3600 миль. При возвращении капсула пролетала сквозь атмосферу при температуре около 2200 °C (4000 °F), но теплозащитный экран доказал свою способность выдержать такой ад.
Следующим испытанием капсулы Orion стала миссия Artemis-1 в 2022 году. Это был первый полет мощной ракеты Space Launch System и беспилотная демонстрация миссии, запланированной для Artemis-2. Пролетая через атмосферу Земли с гораздо большего расстояния, чем во время первого испытания, космический аппарат достиг температуры около 2800 °C (5000 °F). Именно здесь и возникли первые опасения относительно теплозащитного экрана Avcoat.
Вместо того чтобы равномерно сгореть по всей поверхности, части теплозащитного экрана Artemis-1 неожиданно отвалились неровными кусками. Такая неравномерная абляция затрудняет прогнозирование тепловых нагрузок при входе в атмосферу и повышает вероятность того, что капсула Orion может нагреться до опасных уровней.
Причины неравномерного сгорания тепловых экранов
В ходе расследования было установлено, что причиной неравномерной абляции стало нерегулярное высвобождение газов, уловленных в материале теплозащитного экрана, усилившегося через профиль «скип», принятый для этой миссии.
За профилем «скип» Orion сначала слегка касается края атмосферы, чтобы замедлиться. Затем использует аэродинамическую подъемную силу капсулы, чтобы отскочить назад из атмосферы, после чего снова входит в нее для окончательного спуска на Землю. Профиль «скип» получил такое название, поскольку несколько напоминает камень, прыгающий по поверхности пруда.
Кроме того, вместо профиля входа типа «скип» NASA выбрала для капсулы Orion более прямолинейный режим входа в атмосферу. Это снижает неопределенность в профиле нагрева и сокращает время, в течение которого улавливаемые газы подвергаются воздействию пиковых температур и могут повредить теплозащитный экран. В то же время экипаж будет испытывать большую перегрузку во время входа в атмосферу.
Необходимые усовершенствования
Учитывая опыт, полученный во время полета Artemis-1, NASA приняла ряд мер по защите экипажа Artemis-2. Для первого пилотируемого полета в рамках программы инженеры сохранили материал теплозащитного экрана Avcoat, но обновили конструкцию блоков, чтобы облегчить отвод газов при входе в атмосферу.
Кроме того, вместо профиля «скип» NASA теперь выбрала для капсулы Orion более прямой режим входа в атмосферу. Это уменьшает неопределенность в профиле нагрева и означает, что заключенные газы будут находиться при пиковых температурах меньше времени, чтобы повредить теплозащитный экран, но также означает, что экипаж будет испытывать большее замедление при входе в атмосферу.
Безопасность превыше всего
В самый драматичный момент фильма Apollo-13 руководитель полета Джин Кранц произносит знаменитую фразу в адрес команды центра управления полетами: «Поражение — не вариант». Хотя эта фраза на самом деле была придумана сценаристами фильма, она стала не только второй по популярности цитатой из фильма, но и своеобразным девизом самой NASA.
Нигде это не проявляется так ярко, как в случае с теплозащитным экраном Artemis II. Во время заключительной фазы миссии у экипажа не будет ни запасного варианта, ни плана действий на случай непредвиденных обстоятельств, ни возможности спастись. Четверо астронавтов на борту будут полагаться лишь на несколько сантиметров покрытого смолой кремнеземного материала, который должен защитить их от температур, достигающих почти половины температуры поверхности Солнца.
Космические полеты людей всегда сопровождались обоснованными рисками, но в то же время давали нам уникальную человеческую перспективу относительно нашего места во Вселенной. Миссия Artemis-2 сделает ее экипаж первыми людьми более полувека, которые собственными глазами увидят голубой шар планеты Земля во всей ее полноте.
Экипаж будет нести с собой надежды и стремления нового поколения исследователей. Безопасное возвращение астронавтов миссии «Артемида-2» будет зависеть от кропотливой работы тысяч ученых и инженеров, а вместе с ним они принесут новый взгляд человечества не только на Луну, но и на планету, которую мы все называем своим домом.
По материалам phys.org
