Предыдущая публикация
NASA опубликовала причину обугливания теплозащитного экрана корабля Orion в миссии Артемида-1
После тщательного анализа и испытаний НАСА выявило техническую причину неожиданного разрушения защитного покрытия космического корабля «Artemis I Orion».Инженеры установили, что, когда Orion возвращался с беспилотной миссии вокруг Луны, газы, образующиеся внутри абляционного внешнего материала теплового экрана под названием Avcoat, не могли выходить наружу и рассеиваться, как ожидалось. Из-за этого давление внутри материала нарастало, и возникали трещины, в результате чего в нескольких местах отслоился обугленный материал.
«Наши первые полёты по программе «Artemis» — это тестовая кампания, и испытательный полёт «Artemis-1» дал нам возможность проверить наши системы в условиях глубокого космоса, прежде чем отправлять экипаж в будущих миссиях, — сказал Амит Кшатрия, заместитель помощника администратора программы «От Луны к Марсу» в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. — Исследование теплозащитного экрана помогло нам полностью понять причину и характер проблемы, а также риски, на которые мы обрекаем наши экипажи, отправляя их на Луну».
Выводы
Команды использовали методичный подход для понимания и выявления первопричины проблемы с потерей углерода, включая детальное исследование теплозащитного экрана «Artemis I», анализ изображений и данных с датчиков космического аппарата, а также всесторонние наземные испытания и анализ.
Во время миссии «Artemis-1» инженеры использовали метод промежуточного входа в атмосферу для возвращения «Orion» на Землю. Этот метод обеспечивает большую гибкость, позволяя «Orion» пролететь после точки входа в атмосферу до места посадки в Тихом океане. Используя этот манёвр, «Orion» вошёл в верхние слои атмосферы и замедлился за счёт сопротивления воздуха. Затем «Orion» использовал аэродинамическую подъёмную силу капсулы, чтобы выйти из атмосферы, а затем снова войти в неё для окончательного спуска на парашютах и приводнения.
Используя данные о реакции материала Avcoat, полученные в ходе миссии «Artemis-1», исследовательская группа смогла воспроизвести условия входа в атмосферу «Artemis-1» — ключевую часть понимания причины проблемы — в дуговой камере Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии. Они заметили, что в период между входами в атмосферу скорость нагрева снижалась, а тепловая энергия накапливалась в материале Avcoat теплозащитного экрана. Это привело к накоплению газов, которые являются частью ожидаемого процесса абляции. Из-за того, что Avcoat не обладал «проницаемостью», внутри создавалось давление, которое приводило к растрескиванию и неравномерному отслаиванию внешнего слоя.
После того как космический корабль «Orion» НАСА был возвращён на Землю по завершении испытательного полёта «Artemis I» и доставлен в Космический центр Кеннеди НАСА во Флориде, его теплозащитный экран был снят с модуля экипажа в здании операций и подготовки к полёту и повернут для осмотра.
Предоставлено: НАСА
Перед полётом «Artemis-1» команды провели обширные наземные испытания, чтобы воспроизвести явление «проскока». Однако они проводили испытания при гораздо более высоких температурах нагрева, чем те, с которыми космический корабль сталкивался во время полёта. Высокие температуры нагрева, испытанные на земле, позволили сформировать и удалить проницаемый слой угля, как и ожидалось, что снизило давление газа. Менее сильный нагрев, наблюдавшийся во время реального возвращения «Artemis-1» в атмосферу, замедлил процесс формирования слоя угля, но всё равно привёл к образованию газов в этом слое. Давление газа нарастало до такой степени, что покрытие Avcoat трескалось и из него выходили части обугленного слоя. Недавние усовершенствования установки для дуговой сварки позволили более точно воспроизвести условия полёта «Artemis-1», чтобы продемонстрировать такое поведение трещин при наземных испытаниях.
Хотя на «Artemis-1» не было экипажа, данные о полёте показали, что если бы экипаж был на борту, они были бы в безопасности. Данные о температуре в кабине, полученные от систем модуля экипажа, также находились в допустимых пределах и держались на уровне 25 градусов по Цельсию. Тепловые характеристики теплозащитного экрана превзошли ожидания.
Инженеры понимают, как материалы взаимодействуют с окружающей средой во время входа в атмосферу. Изменяя материал или окружающую среду, они могут спрогнозировать, как отреагирует космический корабль. Команды НАСА единогласно согласились с тем, что агентство может разработать приемлемую концепцию полёта, которая обеспечит безопасность экипажа при использовании существующего теплозащитного экрана «Artemis-2» с учётом изменений, связанных с входом в атмосферу.
Процесс расследования НАСА
Вскоре после того, как инженеры НАСА обнаружили дефект на теплозащитном экране «Artemis-1», агентство приступило к масштабному расследованию, в котором участвовала многопрофильная группа экспертов в области систем теплозащиты, аэротермодинамики, тепловых испытаний и анализа, анализа напряжений, испытаний и анализа материалов и многих других смежных технических областей. Центр инженерии и безопасности НАСА также предоставил технические экспертные знания, включая неразрушающий контроль, тепловой и структурный анализ, анализ дерева отказов и другие виды поддержки при проведении испытаний.
«Мы отнеслись к процессу изучения теплозащитного экрана очень серьёзно, и безопасность экипажа была движущей силой этого исследования, — сказал Говард Ху, руководитель программы «Orion» в Космическом центре имени Джонсона НАСА в Хьюстоне. — Процесс был длительным. Мы предоставили команде время, необходимое для изучения всех возможных причин, и они неустанно работали, чтобы мы поняли это явление и предприняли необходимые шаги для устранения этой проблемы в будущих миссиях».
Теплозащитный экран «Artemis-1» был оснащён множеством датчиков давления, тензометрами и термопарами на разной глубине абляционного материала. Данные, полученные с помощью этих приборов, дополнили анализ физических образцов, что позволило команде проверить компьютерные модели, воссоздать окружающую среду, получить профили внутренней температуры и понять, когда происходит обугливание.
Примерно 200 образцов покрытия Avcoat были извлечены из теплозащитного экрана «Artemis I» в Центре космических полётов имени Маршалла НАСА в Алабаме для анализа и проверки. Команда провела неразрушающий контроль, чтобы «посмотреть» внутрь теплозащитного экрана.
Одним из наиболее важных выводов, сделанных в результате изучения этих образцов, было то, что на локальных участках проницаемого покрытия, которые были выявлены перед полетом, не наблюдалось растрескивания или обугливания. Поскольку эти участки были проницаемыми в начале входа, газы, образующиеся в результате абляции, могли адекватно отводиться, устраняя повышение давления, растрескивание и потерю обугливания.
Испытательный образец Avcoat проходит тепловое импульсное испытание в испытательной камере с дуговой струёй в Исследовательском центре Эймса НАСА в Калифорнии. Испытательный образец, состоящий из проницаемого (верхнего) и непроницаемого (нижнего) участков Avcoat для сравнения, помог подтвердить понимание основной причины потери обугленного материала Avcoat, которую инженеры наблюдали на космическом корабле «Orion» после испытательного полёта «Artemis-1» за пределы Луны.
Перед полётом «Artemis-1» команды провели обширные наземные испытания, чтобы воспроизвести явление «проскока». Однако они проводили испытания при гораздо более высоких температурах нагрева, чем те, с которыми космический корабль сталкивался во время полёта. Высокие температуры нагрева, испытанные на земле, позволили сформировать и удалить проницаемый слой угля, как и ожидалось, что снизило давление газа. Менее сильный нагрев, наблюдавшийся во время реального возвращения «Artemis-1» в атмосферу, замедлил процесс формирования слоя угля, но всё равно привёл к образованию газов в этом слое. Давление газа нарастало до такой степени, что покрытие Avcoat трескалось и из него выходили части обугленного слоя. Недавние усовершенствования установки для дуговой сварки позволили более точно воспроизвести условия полёта «Artemis-1», чтобы продемонстрировать такое поведение трещин при наземных испытаниях.
Хотя на «Artemis-1» не было экипажа, данные о полёте показали, что если бы экипаж был на борту, они были бы в безопасности. Данные о температуре в кабине, полученные от систем модуля экипажа, также находились в допустимых пределах и держались на уровне 25 градусов по Цельсию. Тепловые характеристики теплозащитного экрана превзошли ожидания.
Инженеры понимают, как материалы взаимодействуют с окружающей средой во время входа в атмосферу. Изменяя материал или окружающую среду, они могут спрогнозировать, как отреагирует космический корабль. Команды НАСА единогласно согласились с тем, что агентство может разработать приемлемую концепцию полёта, которая обеспечит безопасность экипажа при использовании существующего теплозащитного экрана «Artemis-2» с учётом изменений, связанных с входом в атмосферу.
Процесс расследования НАСА
Вскоре после того, как инженеры НАСА обнаружили дефект на теплозащитном экране «Artemis-1», агентство приступило к масштабному расследованию, в котором участвовала многопрофильная группа экспертов в области систем теплозащиты, аэротермодинамики, тепловых испытаний и анализа, анализа напряжений, испытаний и анализа материалов и многих других смежных технических областей. Центр инженерии и безопасности НАСА также предоставил технические экспертные знания, включая неразрушающий контроль, тепловой и структурный анализ, анализ дерева отказов и другие виды поддержки при проведении испытаний.
«Мы отнеслись к процессу изучения теплозащитного экрана очень серьёзно, и безопасность экипажа была движущей силой этого исследования, — сказал Говард Ху, руководитель программы «Orion» в Космическом центре имени Джонсона НАСА в Хьюстоне. — Процесс был длительным. Мы предоставили команде время, необходимое для изучения всех возможных причин, и они неустанно работали, чтобы мы поняли это явление и предприняли необходимые шаги для устранения этой проблемы в будущих миссиях».
Теплозащитный экран «Artemis-1» был оснащён множеством датчиков давления, тензометрами и термопарами на разной глубине абляционного материала. Данные, полученные с помощью этих приборов, дополнили анализ физических образцов, что позволило команде проверить компьютерные модели, воссоздать окружающую среду, получить профили внутренней температуры и понять, когда происходит обугливание.
Примерно 200 образцов покрытия Avcoat были извлечены из теплозащитного экрана «Artemis I» в Центре космических полётов имени Маршалла НАСА в Алабаме для анализа и проверки. Команда провела неразрушающий контроль, чтобы «посмотреть» внутрь теплозащитного экрана.
Одним из наиболее важных выводов, сделанных в результате изучения этих образцов, было то, что на локальных участках проницаемого покрытия, которые были выявлены перед полетом, не наблюдалось растрескивания или обугливания. Поскольку эти участки были проницаемыми в начале входа, газы, образующиеся в результате абляции, могли адекватно отводиться, устраняя повышение давления, растрескивание и потерю обугливания.
Испытательный образец Avcoat проходит тепловое импульсное испытание в испытательной камере с дуговой струёй в Исследовательском центре Эймса НАСА в Калифорнии. Испытательный образец, состоящий из проницаемого (верхнего) и непроницаемого (нижнего) участков Avcoat для сравнения, помог подтвердить понимание основной причины потери обугленного материала Avcoat, которую инженеры наблюдали на космическом корабле «Orion» после испытательного полёта «Artemis-1» за пределы Луны.
Предоставлено: НАСА
Инженеры провели восемь отдельных кампаний по тепловым испытаниям после полёта, чтобы выявить первопричины, и выполнили 121 отдельное испытание. Эти испытания проводились на уникальных объектах по всей стране, в том числе в Лаборатории аэродинамического нагрева в комплексе Arc-Jet в Эймсе для тестирования профилей конвективного нагрева с использованием различных испытательных газов; в Лаборатории оценки лазерных закалённых материалов на базе ВВС Райт-Паттерсон в Огайо для тестирования профилей радиационного нагрева и проведения рентгенографии в реальном времени; а также в Лаборатории взаимодействия при нагреве в Эймсе для тестирования комбинированных профилей конвективного и радиационного нагрева в воздухе в масштабе целого блока.
Специалисты по аэротермике также провели две кампании по испытаниям в гиперзвуковой аэродинамической трубе в Исследовательском центре НАСА Лэнгли в Вирджинии и на аэродинамических испытательных стендах CUBRC в Буффало, штат Нью-Йорк, чтобы протестировать различные конфигурации для снижения выбросов углерода, а также усовершенствовать и проверить аналитические модели. Испытания на проницаемость также проводились в Kratos в Алабаме, Университете Кентукки и Эймсе, чтобы дополнительно охарактеризовать объём и пористость Avcoat. Испытательный центр Advanced Light Source, научный центр Министерства энергетики США в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, также использовался инженерами для изучения поведения Avcoat при нагревании на уровне микроструктуры.
Весной 2024 года НАСА сформировало независимую комиссию по расследованию для проведения всестороннего анализа процесса расследования, выводов и результатов. Независимую комиссию возглавил Пол Хилл, бывший руководитель НАСА, который после катастрофы «Колумбии» был ведущим директором по полётам космических шаттлов в рамках программы «Возвращение к полётам», возглавлял Управление по операциям с миссиями НАСА и в настоящее время является членом Консультативной группы по аэрокосмической безопасности агентства. Проверка проводилась в течение трёх месяцев, чтобы оценить состояние теплозащитного экрана после полёта, данные о среде входа в атмосферу, тепловую реакцию аблятора и ход расследования НАСА. Группа проверки согласилась с выводами НАСА о технической причине физического поведения теплозащитного экрана.
Достижения в области теплозащитных экранов
Зная, что проницаемость покрытия Avcoat является ключевым параметром для предотвращения или минимизации потерь угля, НАСА располагает необходимой информацией для обеспечения безопасности экипажа и улучшения характеристик будущих теплозащитных экранов Artemis. На протяжении всей своей истории НАСА извлекало уроки из каждого своего полета и внедряло усовершенствования в аппаратное обеспечение и операции. Данные, собранные во время испытательного полета Artemis I, предоставили инженерам бесценную информацию для будущих разработок и доработок. Данные о летно-технических характеристиках при возвращении на Луну и надежная программа квалификационных наземных испытаний, улучшенная после полета Artemis I, способствуют усовершенствованию производства теплозащитного экрана Orion. Для достижения однородности и стабильной проницаемости разрабатываются будущие теплозащитные экраны для возвращения «Orion» с миссии «Artemis» по высадке на Луну. В настоящее время завершается квалификационная программа, а также производство более проницаемых блоков Avcoat на сборочном предприятии NASA в Новом Орлеане.
#Артемида
https://ok.ru/space360/topic/157887603413007
Инженеры провели восемь отдельных кампаний по тепловым испытаниям после полёта, чтобы выявить первопричины, и выполнили 121 отдельное испытание. Эти испытания проводились на уникальных объектах по всей стране, в том числе в Лаборатории аэродинамического нагрева в комплексе Arc-Jet в Эймсе для тестирования профилей конвективного нагрева с использованием различных испытательных газов; в Лаборатории оценки лазерных закалённых материалов на базе ВВС Райт-Паттерсон в Огайо для тестирования профилей радиационного нагрева и проведения рентгенографии в реальном времени; а также в Лаборатории взаимодействия при нагреве в Эймсе для тестирования комбинированных профилей конвективного и радиационного нагрева в воздухе в масштабе целого блока.
Специалисты по аэротермике также провели две кампании по испытаниям в гиперзвуковой аэродинамической трубе в Исследовательском центре НАСА Лэнгли в Вирджинии и на аэродинамических испытательных стендах CUBRC в Буффало, штат Нью-Йорк, чтобы протестировать различные конфигурации для снижения выбросов углерода, а также усовершенствовать и проверить аналитические модели. Испытания на проницаемость также проводились в Kratos в Алабаме, Университете Кентукки и Эймсе, чтобы дополнительно охарактеризовать объём и пористость Avcoat. Испытательный центр Advanced Light Source, научный центр Министерства энергетики США в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, также использовался инженерами для изучения поведения Avcoat при нагревании на уровне микроструктуры.
Весной 2024 года НАСА сформировало независимую комиссию по расследованию для проведения всестороннего анализа процесса расследования, выводов и результатов. Независимую комиссию возглавил Пол Хилл, бывший руководитель НАСА, который после катастрофы «Колумбии» был ведущим директором по полётам космических шаттлов в рамках программы «Возвращение к полётам», возглавлял Управление по операциям с миссиями НАСА и в настоящее время является членом Консультативной группы по аэрокосмической безопасности агентства. Проверка проводилась в течение трёх месяцев, чтобы оценить состояние теплозащитного экрана после полёта, данные о среде входа в атмосферу, тепловую реакцию аблятора и ход расследования НАСА. Группа проверки согласилась с выводами НАСА о технической причине физического поведения теплозащитного экрана.
Достижения в области теплозащитных экранов
Зная, что проницаемость покрытия Avcoat является ключевым параметром для предотвращения или минимизации потерь угля, НАСА располагает необходимой информацией для обеспечения безопасности экипажа и улучшения характеристик будущих теплозащитных экранов Artemis. На протяжении всей своей истории НАСА извлекало уроки из каждого своего полета и внедряло усовершенствования в аппаратное обеспечение и операции. Данные, собранные во время испытательного полета Artemis I, предоставили инженерам бесценную информацию для будущих разработок и доработок. Данные о летно-технических характеристиках при возвращении на Луну и надежная программа квалификационных наземных испытаний, улучшенная после полета Artemis I, способствуют усовершенствованию производства теплозащитного экрана Orion. Для достижения однородности и стабильной проницаемости разрабатываются будущие теплозащитные экраны для возвращения «Orion» с миссии «Artemis» по высадке на Луну. В настоящее время завершается квалификационная программа, а также производство более проницаемых блоков Avcoat на сборочном предприятии NASA в Новом Орлеане.
#Артемида
https://ok.ru/space360/topic/157887603413007
NASA перенесло миссию Артемида-2 -- пилотируемый полет вокруг Луны на 2026 год.
Космическое агентство США сообщило, что переносит сроки запуска пилотируемых экспедиций «Артемида-2» и «Артемида-3» по одноименной программе. Согласно новому графику, облет Луны четырьмя астронавтами, ранее планировавшийся на сентябрь 2025 года, был отодвинут на апрель 2026. Это приведет также к сдвигу пилотируемой высадки на Луну: третья миссия по программе «Артемида» перенесена с сентября 2026 на середину 2027 года.Это не первая задержка при реализации перспективной американской пилотируемой программы. При запуске программы «Артемида» в 2017 году предполагалось, что экспедиция на поверхность Луны будет запущена до конца 2024 года. Более того, в 2011 году, когда была утверждена разработка сверхтяжелой ракеты SLS и корабля «Орион», облет Луны, тогда называвшийся EM-2 (Exploration Mission 2) и позднее переименованный в Artemis 2, был запланирован на 2018 год.
Официальной причиной очередного переноса стали проблемы с лобовым теплозащитным экраном корабля «Орион», выявленные в его первом полете в конце 2022 года. Хотя корабль выполнил безопасную посадку в океан, его лобовой экран получил сильные повреждения, которые не были предсказаны теоретическими расчетами. Расследование ситуации с теплозащитным покрытием продолжалось полтора года и завершилось только в октябре.
Специалисты НАСА связали деградацию экрана с траекторией двойного входа в атмосферу, которая используется для сброса энергии космическим кораблем. При этом подходе капсула при возвращении на Землю погружается в атмосферу, а затем «отскакивает» от нее, сбросив часть скорости, и после этого вновь погружается, на этот раз завершая процесс снижения. НАСА считает, что после первого входа во внешних слоях теплозащитного экрана сохранялось больше тепла, чем ожидалось, и в порах щита оказались заперты пузырьки газа. Они спровоцировали рост внутреннего давления и растрескивание внешнего слоя щита. Этот вывод был основан на глубоком практическом исследовании и подтвержден независимой экспертной группой. Недочеты в программе наземных испытаний не позволили НАСА и компании Lockheed Martin выявить проблему до полета.
Применяемый на «Орионе» материал Avcoat был изначально разработан для лунных кораблей программы «Аполлон», однако новый корабль отличается геометрией «плиток», из которых состоит лобовой экран. Кроме того, изменилась и технология изготовления Avcoat. В рамках расследования были также протестированы плитки из Avcoat с повышенной проницаемостью, которая позволяет газам свободно выходить. Они успешно прошли испытания и не разрушились под воздействием высокой температуры.
Теплозащитный экран для экспедиции «Артемида-2» уже изготовлен, и НАСА решило его не переделывать. Вместо этого будет переработана траектория входа космического корабля в атмосферу Земли. Продолжительность фазы «скачка» в атмосфере сократится. По мнению экспертов, этого будет достаточно, чтобы растрескивание не привело к разрушению материала.
Другие проблемы, выявленные в первом полете «Ориона», уже устранены.
При новой президентской администрации в США на посту главы НАСА текущего администратора Билла Нельсона должен сменить бизнесмен Джаред Айзекман, тесно сотрудничавший со SpaceX. Выбор этой кандидатуры вызвал дискуссию о возможном отказе от сверхтяжелой ракеты SLS, который может повлечь и отказ либо от корабля «Орион», либо от всей программы «Артемида» в ее нынешнем виде.
Различные элементы инфраструктуры для лунной программы создаются в США на протяжении более чем десяти лет. К ней можно отнести сверхтяжелую ракету SLS и корабль «Орион», а также окололунную станцию Gateway, которая разрабатывается с привлечением международных партнеров, лунный взлетно-посадочный комплекс Starship компании SpaceX и ЛВПК «второго этапа» от Blue Origin. Также на ранней стадии проработки существует проект грузового корабля Dragon XL от SpaceX для снабжения Gateway. Из-за регулярного пересмотра целей все разрабатываемые элементы инфраструктуры плохо стыкуются между собой. Кроме того, они смешались в большой узел, распутать который будет непросто.
Относительно ракеты-носителя SLS в космической отрасли США сложились пессимистичные ожидания: она очень дорогая, требует больших вложений в ближайшей перспективе и станет ненужной, если будет введен в эксплуатацию Starship даже в частично многоразовом виде. Однако использовать Starship для запуска «Ориона» не получится, а сам корабль «Орион» заменить нечем. В ближайшие годы не стоит рассчитывать на то, что Starship будет сертифицирован для доставки с орбиты на Землю людей. Идея «пересадить» корабль «Орион» на ракету-носитель New Glenn компании Blue Origin, которая в 2,5 раза уступает по грузоподъемности SLS, вряд ли реализуема на практике. Без «Ориона» вся лунная программа США сдвинется на 2030-е годы. В это же время, Китай определился со своей лунной транспортной инфраструктурой и последовательно ее разрабатывает, имея все шансы опередить США. Вряд ли американская администрация готова с этим смириться.
Переоценивать возможности администратора НАСА круто и полностью перевернуть политику агентства тоже не стоит. Такая крупная бюрократическая структура как НАСА обладает большой инерцией, и менять будущие планы гораздо проще, чем активные проекты на поздней стадии реализации. Например, для НАСА гораздо проще отказаться от развития SLS (т. е. от модификаций Block 1B и, тем более, Block 2) и объявить ракету временным решением до появления пилотируемой версии Starship, чем закрывать SLS прямо сейчас.
Разорвать текущие контракты с частными компаниями и международными партнерами на постройку окололунной станции Gateway тоже будет непросто. Конечно, Айзекман может попытаться это сделать, но это не значит, что у него получится. И, прежде чем делать далекоидущие выводы, стоит дождаться хотя бы, пока будущий глава НАСА публично озвучит свои планы.
Следующая публикация
Нет комментариев