L’indagine della NASA sul problema dello scudo termico dell’astronave Orion di Artemis I ha rivelato che i gas intrappolati all’interno del materiale Avcoat hanno causato un accumulo di pressione e la perdita di carbone durante il rientro. Test approfonditi, sia prima del volo che dopo, e simulazioni presso le strutture della NASA hanno contribuito a perfezionare il design dello scudo termico per prevenire futuri problemi, garantendo la sicurezza dell’equipaggio per le missioni successive di Artemis.
La NASA identifica la causa del danneggiamento dello scudo termico su Artemis I. Dopo un’analisi e test approfonditi, la NASA ha identificato la causa tecnica della perdita inaspettata di carbone osservata sullo scudo termico dell’astronave Orion di Artemis I. Gli ingegneri hanno determinato che durante il ritorno di Orion dalla sua missione non pilotata attorno alla Luna, i gas generati all’interno del materiale ablativo dello scudo termico, noto come Avcoat, non sono riusciti a ventilarli e dissiparli come previsto. Ciò ha portato a un accumulo di pressione interna, causando crepe e la perdita di materiale carbonizzato in diverse aree.
I nostri primi voli di Artemis sono una campagna di test, e il volo di prova di Artemis I ci ha dato l’opportunità di verificare i nostri sistemi nell’ambiente dello spazio profondo prima di aggiungere l’equipaggio nelle future missioni, ha spiegato Amit Kshatriya, vice amministratore associato, Ufficio del programma Moon to Mars, sede della NASA a Washington. L’indagine sullo scudo termico ha contribuito a garantire che comprendiamo appieno la causa e la natura del problema, nonché il rischio che chiediamo ai nostri equipaggi di correre quando si avventurano sulla Luna.
Test approfonditi rivelano problemi sottostanti. I team hanno adottato un approccio metodico per comprendere e identificare la causa radice del problema di perdita di carbone, compresa un’analisi dettagliata dello scudo termico di Artemis I, la revisione di immagini e dati dai sensori dell’astronave, e test e analisi approfonditi a terra. Durante Artemis I, gli ingegneri hanno utilizzato la tecnica di ingresso con guida a salti per far rientrare Orion sulla Terra. Questa tecnica fornisce maggiore flessibilità estendendo il raggio di volo di Orion dopo il punto di rientro fino a un punto di atterraggio nell’Oceano Pacifico.
Utilizzando i dati sulla risposta del materiale Avcoat da Artemis I, il team di indagine è stato in grado di replicare l’ambiente di traiettoria di ingresso di Artemis I – una parte fondamentale per comprendere la causa del problema – all’interno delle strutture ad arco a getto presso il Centro di ricerca Ames della NASA in California. Hanno osservato che durante il periodo tra i passaggi nell’atmosfera, i tassi di riscaldamento diminuivano e l’energia termica si accumulava all’interno del materiale Avcoat dello scudo termico. Ciò ha portato all’accumulo di gas che fanno parte del processo di ablazione previsto.
Poiché l’Avcoat non aveva permeabilità, si è accumulata pressione interna, portando a crepe e alla perdita irregolare dello strato esterno. I team hanno effettuato test approfonditi a terra per replicare il fenomeno del salto prima di Artemis I. Tuttavia, hanno testato a tassi di riscaldamento molto più elevati rispetto a quelli sperimentati dall’astronave in volo. I tassi di riscaldamento elevati testati a terra hanno permesso la formazione e l’ablazione del carbone permeabile come previsto, rilasciando la pressione dei gas.
Il riscaldamento meno intenso osservato durante il reingresso effettivo di Artemis I ha rallentato il processo di formazione del carbone, pur creando ancora gas nello strato di carbone. La pressione dei gas si è accumulata fino al punto di creare crepe nell’Avcoat e rilasciare parti dello strato carbonizzato. Miglioramenti recenti alle strutture ad arco a getto hanno consentito una riproduzione più accurata degli ambienti di volo misurati di Artemis I, in modo che questo comportamento di crepa potesse essere dimostrato nei test a terra.
Misure di sicurezza potenziate per le future missioni. Anche se Artemis I era non pilotata, i dati di volo hanno mostrato che se l’equipaggio fosse stato a bordo, sarebbero stati al sicuro. I dati di temperatura dai sistemi del modulo dell’equipaggio all’interno della cabina erano anche ben entro i limiti e stabili intorno ai 70 gradi Fahrenheit. Le prestazioni termiche dello scudo termico hanno superato le aspettative.
Gli ingegneri comprendono sia il fenomeno del materiale che l’ambiente con cui i materiali interagiscono durante l’ingresso. Cambiando il materiale o l’ambiente, possono prevedere come risponderà l’astronave. I team della NASA hanno concordato all’unanimità che l’agenzia può sviluppare una giustificazione di volo accettabile che garantirà la sicurezza dell’equipaggio utilizzando lo scudo termico di Artemis II con modifiche operative all’ingresso.
Indagini e sforzi di test approfonditi. Poco dopo che gli ingegneri della NASA hanno scoperto la condizione sullo scudo termico di Artemis I, l’agenzia ha avviato un processo di indagine esteso, che includeva un team multidisciplinare di esperti in sistemi di protezione termica, aerotermoidraulica, test e analisi termiche, analisi dello stress, test e analisi dei materiali e molte altre aree tecniche correlate.
Anche il Centro di ingegneria e sicurezza della NASA è stato coinvolto per fornire competenze tecniche, inclusa la valutazione non distruttiva, l’analisi termica e strutturale, l’analisi dell’albero delle cause e altri supporti ai test. Abbiamo preso il nostro processo di indagine sullo scudo termico estremamente seriamente, con la sicurezza dell’equipaggio come forza trainante dietro l’indagine, ha detto Howard Hu, responsabile del programma Orion presso il Johnson Space Center della NASA a Houston.
Il processo è stato esteso. Abbiamo dato al team il tempo necessario per indagare su ogni possibile causa, e hanno lavorato instancabilmente per garantire che comprendessimo il fenomeno e i passi necessari per mitigare questo problema per le future missioni. Lo scudo termico di Artemis I è stato pesantemente strumentato per il volo con sensori di pressione, estensimetri e termocoppie a varie profondità del materiale ablativo.
I dati da questi strumenti hanno integrato l’analisi di campioni fisici, consentendo al team di convalidare i modelli informatici, creare ricostruzioni ambientali, fornire profili di temperatura interna e dare un’idea del momento della perdita di carbone. Circa 200 campioni di Avcoat sono stati rimossi dallo scudo termico di Artemis I presso il Marshall Space Flight Center della NASA in Alabama per analisi e ispezione.
Il team ha effettuato una valutazione non distruttiva per vedere all’interno dello scudo termico. Miglioramento del design dello scudo termico per i voli futuri. Uno dei risultati più importanti dell’esame di questi campioni è stato che le aree locali di Avcoat permeabile, identificate prima del volo, non hanno subito crepe o perdita di carbone. Poiché queste aree erano permeabili all’inizio dell’ingresso, i gas prodotti dall’ablazione sono stati in grado di ventilarli adeguatamente, eliminando l’accumulo di pressione, le crepe e la perdita di carbone.
Gli ingegneri hanno effettuato otto campagne di test termici post-volo separate per supportare l’analisi della causa radice, completando 121 test individuali. Questi test si sono svolti in strutture con capacità uniche in tutto il paese, inclusa la struttura di riscaldamento aerodinamico presso il complesso Arc-Jet di Ames per testare profili di riscaldamento convettivo con vari gas di prova; il Laboratorio di valutazione dei materiali induriti al laser presso la Wright Patterson Air Force Base in Ohio per testare profili di riscaldamento radiativo e fornire radiografia in tempo reale; nonché la struttura di riscaldamento per interazione presso Ames per testare profili di riscaldamento convettivo e radiativo combinati nell’aria a scala completa.
Gli esperti aerotermici hanno anche completato due campagne di test in galleria del vento ipersonico presso il Langley Research Center della NASA in Virginia e le strutture di test aerodinamico CUBRC a Buffalo, New York, per testare una varietà di configurazioni di perdita di carbone e migliorare e convalidare i modelli analitici. Sono stati effettuati anche test di permeabilità presso Kratos in Alabama, presso l’Università del Kentucky e ad Ames per contribuire a caratterizzare ulteriormente il volume e la porosità dell’elemento Avcoat.
La struttura di test Advanced Light Source, una struttura scientifica del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, è stata utilizzata dagli ingegneri per esaminare il comportamento termico dell’Avcoat a livello microstrutturale. Nella primavera del 2024, la NASA ha istituito un team di revisione indipendente per condurre una revisione approfondita del processo di indagine dell’agenzia, dei risultati e dei risultati.
La revisione indipendente è stata guidata da Paul Hill, un ex leader della NASA che ha ricoperto il ruolo di direttore del volo dello Space Shuttle per il ritorno al volo dopo l’incidente dello Space Shuttle Columbia, ha guidato la Direzione delle operazioni di missione della NASA ed è attualmente membro del Pannello consultivo per la sicurezza aerospaziale dell’agenzia. La revisione è durata tre mesi per valutare lo stato post-volo dello scudo termico, i dati ambientali di ingresso, la risposta termica dell’ablattore e i progressi dell’indagine della NASA.
Il team di revisione ha concordato con le conclusioni della NASA sulla causa tecnica del comportamento fisico dello scudo termico. Avanzamenti dello scudo termico. Sapendo che la permeabilità dell’Avcoat è un parametro chiave per evitare o ridurre al minimo la perdita di carbone, la NASA ha le informazioni corrette per garantire la sicurezza dell’equipaggio e migliorare le prestazioni dei futuri scudi termici di Artemis.
Nel corso della sua storia, la NASA ha imparato da ciascuno dei suoi voli e ha incorporato miglioramenti nell’hardware e nelle operazioni. I dati raccolti durante il volo di prova di Artemis I hanno fornito agli ingegneri informazioni preziose per informare i futuri progetti e perfezionamenti. I dati sulle prestazioni del volo di ritorno lunare e un robusto programma di qualifica dei test a terra migliorati dopo l’esperienza del volo di Artemis I stanno supportando i miglioramenti della produzione per lo scudo termico di Orion.
I futuri scudi termici per il ritorno di Orion dalle missioni di atterraggio lunare di Artemis stanno venendo prodotti per raggiungere uniformità e permeabilità costante. Il programma di qualifica è attualmente in fase di completamento insieme alla produzione di blocchi di Avcoat più permeabili presso l’Impianto di assemblaggio Michoud della NASA a New Orleans.
