美國太空總署對阿耳忒彌斯一號獵戶座太空船隔熱罩問題的調查顯示,Avcoat 材料內滯留的氣體導致再入過程中壓力增大和炭損失。
飛行前和飛行後的廣泛測試以及美國宇航局設施的模擬有助於完善隔熱罩的設計,以防止未來出現問題,確保後續阿爾忒彌斯任務中機組人員的安全。
美國太空總署確定阿爾忒彌斯一號熱護罩損壞的原因
經過廣泛的分析和測試,美國太空總署已經確定了在阿耳忒彌斯一號獵戶座太空船的隔熱罩上觀察到的意外炭損失的技術原因。
工程師確定,在獵戶座完成繞月無人飛行任務返回期間,隔熱罩燒蝕材料(稱為 Avcoat)內產生的氣體無法如預期排出和消散。這導致內部壓力積聚,導致多個區域出現裂縫和燒焦材料脫落。
「我們早期的阿爾忒彌斯飛行是一次測試活動,阿爾忒彌斯一號試飛讓我們有機會在未來的任務中增加機組人員之前在深空環境中檢查我們的系統,」月球計劃副副局長阿米特·剎帝利(Amit Kshatriya) 解釋。火星位於華盛頓的 NASA 總部專案辦公室。 “隔熱罩調查有助於確保我們充分了解問題的原因和性質,以及我們要求宇航員在冒險前往月球時承擔的風險。”
廣泛的測試揭示了潛在的問題
團隊採取了系統化的方法來理解和確定炭損失問題的根本原因,包括對阿耳忒彌斯一號隔熱罩進行詳細採樣、審查航天器上感測器的圖像和數據,以及全面的地面測試和分析。
在阿爾忒彌斯一號期間,工程師們使用了獵戶座返回地球的技術。這項技術透過擴展獵戶座在重返大氣層後到達太平洋著陸點的飛行範圍,提供了更大的靈活性。透過這種機動,獵戶座潛入地球大氣層的上部,並利用大氣阻力來減速。然後,獵戶座利用太空艙的空氣動力升力跳回大氣層,然後重新進入,在降落傘下進行最終下降,濺落。
利用 Artemis I 的 Avcoat 材料響應數據,調查小組能夠在美國宇航局加利福尼亞州艾姆斯研究中心的電弧噴射設施內複製 Artemis I 的進入軌跡環境,這是了解問題原因的關鍵部分。他們觀察到,在浸入大氣期間,加熱速率降低,熱能在隔熱罩的 Avcoat 材料內積聚。這導致了氣體的積累,這是預期的消融過程的一部分。由於 Avcoat 不具有“滲透性”,內部壓力增大,導致外層破裂和不均勻脫落。
團隊進行了廣泛的地面測試,以複製阿耳忒彌斯一號之前的跳躍現象。在地面上測試的高加熱速率使可滲透的炭如預期形成和燒蝕,釋放氣壓。在實際的阿爾忒彌斯一號再入期間看到的不太嚴重的加熱減慢了炭形成的過程,同時仍在炭層中產生氣體。氣壓升高到使 Avcoat 破裂並釋放部分燒焦層的程度。最近對電弧噴射設施的改進使得能夠更準確地再現阿耳忒彌斯一號測量的飛行環境,從而可以在地面測試中證明這種破裂行為。
加強未來任務的安全措施
雖然阿耳忒彌斯一號無人,但飛行數據顯示,如果機組人員在船上,他們就會安全。機艙內乘員艙系統的溫度資料也完全在限制範圍內,並穩定在 70 年代中期華氏度。隔熱罩的熱性能超出了預期。
工程師了解材料現像以及材料在進入過程中與之互動的環境。透過改變材料或環境,他們可以預測太空船將如何回應。 NASA 團隊一致同意,該機構可以製定可接受的飛行原理,透過對入口的操作進行更改,使用目前的 Artemis II 隔熱罩確保機組人員的安全。
徹底的調查和測試工作
在NASA 工程師發現Artemis I 隔熱罩的狀況後不久,該機構就開始了廣泛的調查過程,其中包括由熱防護系統、空氣熱力學、熱測試和分析、應力分析、材料測試和分析等領域的多由學科專家組成的團隊,以及許多其他相關技術領域。 NASA 的工程和安全中心也參與提供技術專業知識,包括無損評估、熱和結構分析、故障樹分析和其他測試支援。
美國宇航局休斯頓約翰遜航天中心獵戶座項目經理霍華德·胡 (Howard Hu) 表示:“我們非常重視隔熱罩調查過程,將機組人員安全視為調查背後的推動力。” 「這個過程很廣泛。我們給了團隊所需的時間來調查每一個可能的原因,他們不知疲倦地工作,以確保我們了解這一現像以及為未來的任務緩解這一問題的必要步驟。
Artemis I 隔熱罩配備了大量飛行儀表,包括不同燒蝕材料深度的壓力感測器、應變計和熱電偶。這些儀器的數據增強了對物理樣本的分析,使團隊能夠驗證電腦模型,創建環境重建,提供內部溫度曲線,並深入了解炭損失的時間。
大約 200 個 Avcoat 樣品從阿拉巴馬州 NASA 馬歇爾太空飛行中心的 Artemis I 隔熱罩中取出進行分析和檢查。該團隊進行了無損評估,以「看到」隔熱罩的內部。
改良的隔熱罩設計適合未來飛行
檢查這些樣本的最重要的發現之一是,飛行前已確定的可滲透 Avcoat 的局部區域沒有出現裂縫或燒焦。由於這些區域在入口開始時是可滲透的,因此燒蝕產生的氣體能夠充分排出,從而消除了壓力積聚、破裂和炭損失。
工程師進行了八次獨立的飛行後熱測試活動以支援根本原因分析,完成了 121 項單獨測試。這些測試在全國各地具有獨特能力的設施中進行,包括艾姆斯 Arc-Jet Complex 的空氣動力加熱設施,用於使用各種測試氣體測試對流加熱剖面;位於俄亥俄州賴特帕特森空軍基地的雷射硬化材料評估實驗室,用於測試輻射加熱曲線並提供即時射線照相;以及艾姆斯的交互加熱設施,用於在整個街區範圍內測試空氣中的組合對流和輻射加熱剖面。
氣熱專家也在維吉尼亞州 NASA 蘭利研究中心和紐約州布法羅 CUBRC 空氣動力測試設施完成了兩項高超音速風洞測試活動,以測試各種炭損失配置並增強和驗證分析模型。阿拉巴馬州的克雷托斯大學、肯塔基大學和艾姆斯大學也進行了滲透性測試,以幫助進一步表徵 Avcoat 的元素體積和孔隙率。高級光源測試設施是美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學用戶設施,工程師也使用該設施在微觀結構層級上檢查 Avcoat 的加熱行為。
2024 年春天,NASA 成立了一個獨立審查小組,對該機構的調查過程、調查結果和結果進行廣泛審查。這項獨立審查由美國宇航局前領導人保羅·希爾領導,他在哥倫比亞號事故後擔任返回飛行的首席航天飛機飛行總監,領導美國宇航局任務運營理事會,並且是該機構航空航天安全諮詢小組的現任成員。這次審查歷時三個月,旨在評估隔熱罩的飛行後狀況、進入環境數據、燒蝕體熱響應以及美國太空總署的調查進度。審查小組同意 NASA 關於隔熱罩物理行為的技術原因的調查結果。
隔熱罩的進步
NASA 知道 Avcoat 的滲透性是避免或最大限度減少炭損失的關鍵參數,因此擁有正確的資訊來確保機組人員的安全並提高未來 Artemis 隔熱罩的性能。縱觀其歷史,美國宇航局從每次飛行中吸取了教訓,並將改進融入硬體和操作中。
在 Artemis I 試飛過程中收集的數據為工程師提供了寶貴的信息,為未來的設計和改進提供資訊。月球返回飛行性能數據和強大的地面測試資格計劃在阿耳忒彌斯一號飛行經驗後得到改進,為獵戶座隔熱罩的生產增強提供支援。
獵戶座從阿耳忒彌斯登月任務返回時使用的未來隔熱罩正在生產中,以實現均勻性和一致的滲透性。資格認證計畫目前正在完成,同時正在美國太空總署位於新奧爾良的米丘德組裝廠生產更具滲透性的 Avcoat 塊。