Orion i problem z osłoną termiczną. Ekspertka wyjaśnia

Międzynarodowy program Artemis ma na celu ustanowienie na Księżycu stałej placówki badawczej, która w długoterminowej perspektywie posłuży do ekspedycji na inne obiekty w Układzie Słonecznym, np. Mars. Zanim to jednak nastąpi NASA musi zbudować fundamenty - pierwsze od ponad 50 lat załogowe lądowanie na Srebrnym Globie.

Tu jednak pojawia się problem z dostępną technologią. W debacie publicznej krytykuje się program Artemis pod względem drogiej i nieefektywnej rakiety nośnej SLS (Space Launch System) lub statku kosmicznego Orion. W przypadku tego ostatniego, kwestią szczególnie drażliwą jest osłona termiczna.

Orion i jego osłona termiczna

Statek kosmiczny Orion został skonstruowany w ramach współpracy amerykańsko-europejskiej. Koncern Lockheed Martin odpowiada m. in. za budowę modułu załogowego. Niezbędnym elementem jest również European Service Module, którego głównym zadaniem jest zapewnienie astronautom zasobów, tj. azot, tlen, woda, energia elektryczna, odpowiednia temperatura lub utrzymanie właściwego kursu. Wykonawcą tego segmentu jest Airbus Defence and Space.

Załogowy statek kosmiczny posiada niezbędny element, bez którego trudno powrócić na Ziemię w jednym kawałku - osłona termiczna. Jej specyfika wyjaśnia mgr inż. Agata Białek, starszy specjalista z Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk.

„Osłona termiczna statku Orion składa się z dwóch części: struktury nośnej oraz systemu ablacyjnego. Strukturę nośną tworzy tytanowy szkielet, na który naciągnięty jest płaszcz (skóra) węglowy. Jest to część osłony, bezpośrednio mocowana do modułu załogowego. System ablacyjny jest wykonany z materiału Avcoat - ten sam typ, który został użyty w misjach Apollo.” - komentuje ekspertka.

„Avcoat jest materiałem wykonanym z włókien szklanych (uformowanych w plastry miodu), wypełnionych materiałem ablacyjnym. Materiał ablacyjny tworzą termoodporne polimery tj. żywice fenolowe, specyficzne rodzaje żywic epoksydowych, silikony. Tutaj jest to żywica epoksydowo-nowolakowa.” - dodaje mgr inż. Białek.

„Avcoat jest mocowany do struktury nośnej za pomocą jedynie 20 śrub. Ponadto nie jest to jednolity płaszcz. Osłona jest złożona z modułów, o zróżnicowanym kształcie, aby zapewnić spasowanie poszczególnych elementów między sobą, oraz dostosować kształt do krzywizn modułu załogowego. W celu skompensowania napięć termoelastycznych, w płaszczu znajdują się 4 pady kompresyjne. Osłona termiczna Oriona jest również największą osłoną wykonaną dla misji załogowych.” - podsumowuje.

Przeszłość i teraźniejszość

System ablacyjny w Orionie jest wykonany z materiału Avcoat, który jak wskazała mgr inż. Białek, został użyty w misjach Apollo. No własnie… Skoro istnieją pewne elementy wspólne, pojawia się pytanie, dlaczego udało się przeprowadzić szereg misji Apollo, a teraz, przy jednej misji Artemis, napotkano takie trudności. Okazuje się, że materiały nie są identyczne.

„Do osłony statku Apollo również zastosowano Avcoat, jednak technologia wytwarzania takiego materiału była zupełnie inna. Produkcja materiału dla Apollo była bardziej czasochłonna, mniej zautomatyzowana i wymagała sporo prac manualnych (materiał ablacyjny był ręcznie wstrzykiwany do komórek plastra miodu).” - tłumaczy mgr inż. Białek.

„Ponadto osłona Apollo była w formie jednolitego koca termicznego – nie była to budowa modułowa, jak w przypadku Oriona. Była również mniej elastyczna. Oczywiście poprawienie elastyczności materiału wymaga wprowadzenia modyfikacji procesu jego wytwarzania, niekiedy dodania lub zmodyfikowania składników, stąd materiał zastosowany na Orionie nie jest 1:1 materiałem użytym na misji Apollo.” - twierdzi ekspertka.

Różnice między statkami kosmicznymi

Równie zastanawiające może być pytanie, co w przypadku innych statków kosmicznych. W XXI wieku astronauci wykonują regularne misje do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) przy pomocy amerykańskich kapsuł Crew Dragon (oraz jedna misja Starliner) lub rosyjskich Sojuz z serii MS.

Powyższe pojazdy przeznaczone są oczywiście do lotów na znacznie krótsze dystanse. ISS znajduje się przecież na niskiej orbicie okołoziemskiej (około 400 km nad Ziemią). Warto jednak spojrzeć na wynikające z tego różnice w wykorzystanej technologii.

Jak tłumaczy ekspertka podstawową różnicą w osłonach termicznych tych statków kosmicznych jest wykorzystanie innego materiału o nazwie PICA (w przypadku Dragona jego ulepszoną wersję PICA-X).

„PICA jest materiałem ablacyjnym węglowym, impregnowanym fenolem. PICA-X dopracowana przez SpaceX i NASA również może być montowana w sposób modułowy, jest stosunkowo lekka (gęstość 0,27g/cm3), a typowa grubość użyta w Dragonie, to jedyne 6 cm.” - tłumaczy mgr inż. Agata Białek.

„PICA (czy też PICA-X) ma utrzymać temperaturę chronionych przez nią modułów do 1850°C. Moduły załogowe Sojuza oraz Dragona są mniejsze od modułu załogowego Oriona, w związku z tym, również mniejsze obciążenia są spodziewane podczas wchodzenia w atmosferę.” - podsumowuje.

Co mogło pójść nie tak?

Skoro wytłumaczyliśmy sobie budowę osłony termicznej statku kosmicznego Orion oraz różnice między misjami Apollo, Dragona lub Sojuza, wróćmy do początku artykułu. Według informacji podanych przez NASA, inżynierowie poznali przyczynę problemu z osłoną termiczną Oriona, natomiast nie chcą jej przekazać opinii publicznej.

W majowym raporcie Biura Inspektora Generalnego NASA mogliśmy przeczytać, że NASA zidentyfikowała ponad 100 miejsc, w których materiał ablacyjny uległ zużyciu podczas ponownego wejścia w atmosferę w inny sposób niż oczekiwali naukowcy.

Decyzja administratora NASA w sprawie osłony termicznej jest zatem kluczowa przed kolejną misją Artemis II, której start przewiduje się na nie wcześniej niż drugą połowę 2025 r.

Zewnętrzni obserwatorzy pozostają jednak w kropce. Jakie procesy mogły wystąpić podczas fazy powrotu na Ziemię? Co mogło być przyczyną takiego stanu osłony termicznej Oriona? Pytania te padły w naszej rozmowie z mgr inż. Agatą Białek.

„Osłony termiczne na statkach kosmicznych, czy rakietach, są wykonane z materiałów ablacyjnych, które zabezpieczają obiekty przed gwałtowną zmianą temperatury – przede wszystkim przegrzaniem podczas przedzierania się przez atmosferę. Mamy tutaj do czynienia z bardzo wysoką temperaturą na osłonie, która może dochodzić nawet do 2760°C. Moduł załogowy musi natomiast pozostać w zakresie temperatur na poziomie około 20°C.” - tłumaczy ekspertka.

„Sam proces ablacji polega na fizykochemicznych przemianach substancji stałych poprzez konwekcyjny lub radiacyjny przepływ ciepła. Innymi słowy, ablacja jest oddaniem energii cieplnej poprzez zużycie materiału. W związku z powyższym zniszczenie zewnętrznych warstw osłony jest częścią procesu oddawania ciepła w celu zapewnienia kontroli termicznej modułu załogowego.” - dodaje.

Ekspertka tłumaczy, że osłona została zaprojektowana tak, żeby utrzymać temperaturę modułu załogowego na poziomie 21°C, przy temperaturach zewnętrznych do ponad 2700°C. Ponadto powrót załogi na ziemię zakładał, że prędkość kapsuły może dojść do niemal 40000 km/h (przy samym lądowaniu już jedynie około 25km/h).

„Warto również zauważyć, że Artemis I użył czegoś, co nazywa się „skip entry”: kapsuła zanurzała się w górnej części atmosfery, a następnie unosiła się z powrotem, a następnie ponownie wchodziła. Dzięki tej metodzie Orion mógł latać znacznie dalej po wejściu w atmosferę. Umożliwiało to również płynniejszy lot i bardziej precyzyjne lądowanie.” - dodaje mgr inż. Białek.

„Według z informacji prasowej z początku 2024 r. większość zwęglonego materiału uwolniła się po tym pierwszym zanurzeniu, gdy Orion wycofywał się z atmosfery. Być może więc niecodzienne zachowanie materiału miało związek właśnie ze sposobem wchodzenia w atmosferę. Prawdopodobnie w materiale pojawiły się naprężenia nie przewidziane w analizach, co spowodowało odpadnięcie kawałków osłony.” - tłumaczy.

Ekspertka przywołała twierdzenie agencji NASA, która zauważyła, iż zjawisko nie wpłynęło to w żaden sposób na temperaturę modułu załogowego, więc swoją rolę osłona spełniła

Dalsze kroki NASA

Przypomnijmy, że osłona termiczna była jedną z przyczyn, które wpłynęły na zmianę daty startu misji Artemis II - pierwotnie miała odbyć się pod koniec 2024 r. Pomimo braku oddziaływania na temperaturę modułu załogowego, zlekceważenie problemu może okazać się bardzo niebezpieczne dla misji załogowych.

Na podstawie wiedzy zdobytej z analiz, przedstawiciele NASA twierdzą, że decyzja dotyczącą Artemis II powinna zostać podjęta jeszcze przed końcem roku.