В навечерието на мисията „Артемис 2“ специалистите от НАСА отново се сблъскват с опасения относно надеждността на топлинния щит на кораба „Орион“.

Този ключов компонент е проектиран да защити астронавтите при повторното навлизане в земната атмосфера след тяхното пътуване около Луната.

Предишни проблеми с топлинния щит

Макар експедицията „Артемис 2“ да е смело начинание, простиращо се на стотици хиляди километри, именно последните няколко минути от мисията предизвикват най-голямо безпокойство за безопасността на екипажа.

Проблемите с топлинния щит бяха установени за първи път по време на безпилотния тестов полет на „Орион“ през 2022 г. – мисията „Артемис 1“.

Щитът е тази част от капсулата, която поема основния удар от изгарящата топлина при навлизането в атмосферата.

Когато инженерите инспектираха щита след завръщането на „Артемис 1“, те откриха, че големи парчета от защитния материал са се отчупили.

Основното притеснение е, че ако подобно нещо се случи по време на пилотираната мисия „Артемис 2“, вътрешността на капсулата може да бъде изложена на опасно високи температури.

Още от зората на пилотираните космически полети инженерите са защитавали капсулите от екстремните температури чрез аблативни топлинни щитове.

Те са изработени от материал, който изгаря равномерно, докато капсулата преминава през атмосферата.

За програмата „Космическа совалка“ НАСА разработи сложна система от свръхлеки плочки от силициеви влакна, покрити със стъкло.

Макар да притежаваше изключителни топлинни свойства, тази система беше много крехка и изискваше щателна поддръжка.

Именно повреда в нея стана причина за трагичната катастрофа на совалката „Колумбия“ през 2003 г. За програмата „Артемис“ НАСА се върна към концепцията за аблативен щит.

Новата структура на топлинния щит на „Орион“

Топлинният щит на капсулата „Орион“ е изработен от материал, наречен Avcoat, базиран на технология, разработена първоначално за програмата „Аполо“.

Въпреки че НАСА е разглеждала и по-нови материали, в крайна сметка е избран Avcoat заради доказаната му надеждност по време на лунните мисии.

Структурата на щита на „Орион“ обаче е различна от тази, използвана при „Аполо“.

Щитът на „Аполо“ се е състоял от единна матрица с пчелна пита, съдържаща около 320 000 отделно запълнени шестоъгълни сегмента.

За да направят щита на „Орион“ по-ефективен и лесен за производство, инженерите са избрали конфигурация от около 180 отделни блока.

Този щит беше тестван за първи път през 2014 г., когато безпилотна капсула „Орион“ беше изстреляна с ракета Delta IV до апогей от 5800 км.

При завръщането си капсулата премина през атмосферата при температури от около 2200°C, а щитът доказа, че може да издържи на екстремните условия.

Следващото изпитание беше мисията „Артемис 1“ през 2022 г. Това беше първият полет на мощната ракета Space Launch System (SLS) и безпилотна демонстрация на мисията, планирана за „Артемис 2“.

Преминавайки през атмосферата от много по-голямо разстояние, космическият апарат достигна температури от около 2800°C. Именно тогава се появиха и първите притеснения относно щита от Avcoat.

Вместо да изгаря равномерно по цялата повърхност, части от щита на „Артемис 1“ неочаквано се отчупиха на неравни парчета.

Тази неравномерна аблация затруднява прогнозирането на топлинните натоварвания и увеличава риска капсулата „Орион“ да се нагрее до опасни нива.

Причини за неравномерното изгаряне

Разследването установи, че причината за неравномерната аблация е нередовното освобождаване на газове, уловени в материала на щита.

Този процес е бил засилен от специфичния профил на навлизане в атмосферата, известен като „профил на отскачане“.

При този профил „Орион“ първоначално леко докосва ръба на атмосферата, за да намали скоростта си.

След това използва аеродинамичната си подемна сила, за да „отскочи“ обратно извън атмосферата, преди да навлезе отново за окончателно спускане.

Профилът е наречен така, защото наподобява камъче, което подскача по повърхността на езеро.

Изследователите от НАСА са открили, че когато скоростта на нагряване е намалявала в периода между двете „потапяния“ в атмосферата, топлинната енергия се е натрупвала вътре в материала Avcoat.

Това е довело до натрупване на газове и повишаване на вътрешното налягане, което е причинило образуването на пукнатини и неравномерното отлепване на материала.

Необходими подобрения

Въз основа на опита от „Артемис 1“, НАСА предприе редица мерки за защита на екипажа на „Артемис 2“.

Те включват промени в производствения процес на щита, за да се намалят кухините в материала, както и корекции в траекторията на завръщане, за да се избегнат резки промени в нагряването.

Тези подобрения са от решаващо значение за гарантиране на безопасното завръщане на астронавтите от следващата им лунна мисия.

За първия си пилотиран полет по програмата „Артемис“ НАСА ще използва познатия материал за топлинен щит Avcoat, но ще приложи обновена блокова конструкция.

Целта е да се улесни отвеждането на газовете, които се образуват при навлизането на капсулата в земната атмосфера.

Освен това НАСА променя и траекторията на завръщане.

Вместо по-сложния профил „Скип“, за капсулата „Орион“ е избран по-директен режим на навлизане в атмосферата.

Това намалява несигурността в температурния профил и означава, че отделените газове ще бъдат изложени на пикови температури за по-кратко време.

Така се ограничава рискът от повреда на топлинния щит, но в същото време екипажът ще изпита по-голямо ускорение при навлизането.

Безопасността е на първо място

В най-драматичния момент от филма „Аполо 13“ ръководителят на полета Джийн Кранц произнася знаменитата реплика към екипа си: „Провалът не е опция“.

Макар фразата да е дело на сценаристите, тя се превръща не само в един от най-популярните цитати от филма, но и в неофициално мото на самата НАСА.

Това важи с пълна сила за топлинния щит на „Артемис 2“.

В последната фаза на мисията няма резервен вариант, план за действие при непредвидени обстоятелства или възможност за евакуация.

Четиримата астронавти на борда ще разчитат на няколко сантиметра силициев диоксид, покрит със смола, за да ги предпазят от температури, доближаващи половината от тези на повърхността на Слънцето.

Пилотираните космически полети винаги са били свързани с премерени рискове, но същевременно са ни давали уникална човешка перспектива за нашето място във Вселената.

Мисията „Артемис 2“ ще превърне своя екипаж в първите хора от повече от половин век, които ще видят със собствените си очи синьото кълбо на планетата Земя в цялата му пълнота.

Екипажът ще носи надеждите и стремежите на цяло ново поколение изследователи.

Тяхното безопасно завръщане ще зависи от прецизната работа на хиляди учени и инженери, а с него те ще донесат нов поглед не само към Луната, но и към планетата, която наричаме свой дом.