کپسول خدمه اوریون ناسا در طول آرتمیس 1 دچار مشکلات سپر حرارتی شد – کارشناس هوافضا وزن می‌کند (Op-ed)
این مقاله در ابتدا در تاریخ منتشر شده است گفتگو. این نشریه مقاله را به Space.com ارائه کرد صدای متخصص: Op-Ed & Insights. مارکوس فرناندز تووز استاد فناوری هوافضا در دانشگاه داکوتای شمالی است.
در سواحل باخا کالیفرنیا در دسامبر 2022. هنگامی که امواج در اطراف کشتی اسکله یو اس اس پورتلند می چرخیدند، خورشید بر دریای متلاطم می تابد. پرسنل نیروی دریایی روی عرشه آسمان را برای نشانه ای اسکن کردند. درخشش ناگهان ظاهر شد.
در ابتدا یک لکه کوچک، به تدریج به یک دایره گرد تبدیل شد و با سرعت زیادی از حومه فضا سقوط کرد. مال ناسا بود کپسول Orionکه به زودی 25 روزه به پایان می رسد ماموریت آرتمیس I اطراف و فراتر از ماه با a اسپری آتش نشانی در اقیانوس
ورود مجدد جبار از مسیری با زاویه تیز پیروی می کند که طی آن کپسول با سرعتی باورنکردنی فرود می آید قبل از اینکه سه چتر نجات قرمز و سفید را مستقر کند. هنگامی که این ماموریت سفر بیش از 270000 مایلی (435000 کیلومتری) خود را به سوی افراد حاضر در عرشه USS Portland به پایان رساند، به نظر می رسید که کپسول یک تکه به خانه بازگشته است.
هنگامی که خدمه بازیابی Orion را بر روی عرشه حامل بالا بردند، امواج ضربه ای در سطح کپسول موج می زد. سپس اعضای خدمه متوجه ترک‌های بزرگ در قسمت زیرین جبار شدند، جایی که قسمت بیرونی کپسول به سپر حرارتی آن می‌رسد.
اما چرا سپری که دمای حدود 5000 درجه فارنهایت (2760 درجه سانتیگراد) را تحمل کرده است آسیبی نمی بیند؟ طبیعی به نظر می رسد، درست است؟
آن مأموریت، آرتمیس اول، منحل شد. اما هدف نهایی ناسا فرستادن انسان به ماه در سال 2026 است. (هدف اکنون 2027 است) بنابراین ناسا باید مطمئن می شد که هر گونه آسیب به کپسول – حتی سپر حرارتی آن که برای آسیب رساندن به آن طراحی شده است – جان خدمه آینده را به خطر نمی اندازد.
در 11 دسامبر 2022 – زمان ورود مجدد آرتمیس اول – این سپر آسیب شدیدی دید و دو ماموریت بعدی آرتمیس را به تاخیر انداخت. در حالی که مهندسان اکنون در تلاش هستند تا از تکرار مجدد مشکلات مشابه جلوگیری کنند، تاریخ پرتاب جدید آوریل 2026 را هدف قرار داده است. و به سرعت نزدیک می شود
به عنوان یک استاد فناوری هوافضامن دوست دارم چگونگی تعامل اجسام با جو را کشف کنم. Artemis I یک مورد به خصوص جالب ارائه می دهد – و استدلالی برای اینکه چرا داشتن یک سپر حرارتی کاربردی برای یک مأموریت اکتشاف فضایی حیاتی است.
جذب حرارت
برای درک اینکه دقیقاً چه اتفاقی برای اوریون افتاده است، اجازه دهید داستان را به عقب برگردانیم. وقتی کپسول دوباره وارد جو زمین شد، شروع شد از لایه های بالاتر آن می گذردکه کمی شبیه ترامپولین عمل می کند و مقداری از انرژی جنبشی فضاپیمای نزدیک را جذب می کند. این مانور با دقت طراحی شده بود تا به تدریج سرعت شکارچی را کاهش دهد و استرس حرارتی روی لایه های داخلی سپر را کاهش دهد.
پس از اولین شیرجه، اوریون در یک مانور حساب شده به فضا برگشت و قبل از شیرجه مجدد مقداری از انرژی خود را از دست داد. این شیرجه دوم با نزدیک شدن به اقیانوس، آن را به لایه های پایین تر از هوای متراکم می برد و سرعت آن را حتی بیشتر کاهش می دهد.
هنگام سقوط، کشش ناشی از نیروی ذرات هوا به کپسول به کاهش سرعت آن از حدود 27000 مایل در ساعت (43000 کیلومتر در ساعت) به حدود 20 مایل در ساعت (32 کیلومتر در ساعت) کمک کرد. اما این تأخیر هزینه ای داشت – اصطکاک هوا به حدی بود که دما در قسمت زیرین کپسول رو به جریان هوا به 5000 درجه فارنهایت (2760 درجه سانتیگراد) رسید.
در این دماهای سوزان، مولکول های هوا شروع به جدا شدن کردند و الف مخلوط داغی از ذرات باردارپلاسما نامیده می شود. این پلاسما انرژی ساطع می کند که می توانید آن را به صورت هوای ملتهب قرمز و زرد در اطراف جلوی خودرو مشاهده کنید و آن را به شکل شمع برگرداند.
هیچ ماده ای روی زمین نمی تواند این محیط جهنمی را بدون آسیب جدی تحمل کند. بنابراین مهندسان پشت این کپسول ها لایه ای از مواد به نام سپر حرارتی را طراحی کردند تا با ذوب شدن و تبخیر شدن قربانی شود و بدین ترتیب محفظه ای که در نهایت فضانوردان را در خود جای می دهد، نجات دهند.
محافظ حرارتی برای محافظت از هر کسی که ممکن است روزی در داخل کپسول باشد، یک جزء حیاتی است.
به شکل یک پوسته، این سپر است که انتهای وسیع فضاپیما رو به جریان هوای ورودی – داغترین قسمت وسیله نقلیه – را در بر می گیرد. این ماده از ماده ای ساخته شده است که برای تبخیر و جذب انرژی تولید شده توسط اصطکاک هوا در وسیله نقلیه طراحی شده است.
مورد جبار
اما واقعاً چه اتفاقی برای سپر حرارتی جبار در طی آن فرود سال 2022 افتاد؟
در مورد جبار، مواد سپر حرارتی از a تشکیل شده است رزینی به نام Novolac – یکی از خویشاوندان باکلیت، که از آن مقداری سلاح گرم ساخته می شود – در ساختار لانه زنبوری رشته های فایبرگلاس جذب می شود.
همانطور که سطح در معرض گرما و جریان هوا قرار می گیرد، رزین ذوب می شود و از بین می رود و فایبرگلاس را آشکار می کند. فایبرگلاس با هوای گرم اطراف واکنش نشان می دهد و ساختار سیاه رنگی به نام char تولید می کند. این زغال سنگ سپس به عنوان یک مانع حرارتی دوم عمل می کند.
ناسا از طراحی سپر حرارتی مشابه کپسول آپولو برای Orion استفاده کرد. اما در طول ماموریت های آپولو، ساختار کربن مانند اوریون شکسته نشد.
پس از نزدیک به دو سال سپری شده برای تجزیه و تحلیل نمونه هایی از مواد زغالی، ناسا به این نتیجه رسید تیم Project Orion شار گرما را بیش از حد تخمین زده بود، زیرا کشتی در هنگام ورود مجدد از جو عبور می کرد.
با نزدیک شدن جبار به جو فوقانی، سپر شروع به ذوب شدن کرد و گازهای تولید شده که ممکن است از طریق منافذ موجود در مواد خارج شده باشد. سپس، زمانی که کپسول دوباره ارتفاع گرفت، لایه‌های رزین بیرونی یخ زدند و گرمای اولین شیرجه را به درون خود محبوس کردند. این گرما رزین را تبخیر می کند.
هنگامی که کپسول برای بار دوم در جو فرو رفت، گاز قبل از یافتن یک خروجی در حین گرم شدن مجدد منبسط شد – به نوعی مانند یک دریاچه یخ زده از پایین به سمت بالا ذوب می شود – و فرار او باعث ایجاد ترک در سطح کپسول شد جایی که ساختار char آسیب دیده است. اینها ترک هایی بود که خدمه بازیابی پس از پاشیدن کپسول روی آن دیدند.
در یک کنفرانس مطبوعاتی در 5 دسامبر 2024. مقامات ناسا اعلام کردند که ماموریت آرتمیس ۲ با مسیر برگشت اصلاح شده برای جلوگیری از ایجاد گرما طراحی خواهد شد.
برای Artemis III که قرار است در سال 2027 پرتاب شود، ناسا قصد دارد از روش‌های جدیدی برای ساخت این سپر استفاده کند که باعث نفوذپذیری بیشتر آن می‌شود. قسمت بیرونی کپسول در هنگام ورود مجدد همچنان بسیار داغ می شود و سپر حرارتی به تبخیر شدن ادامه می دهد. اما این روش های جدید به فضانوردان کمک می کند تا در طول فرود در کپسول احساس راحتی کنند.
چونگلین ژانگاستادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه داکوتای شمالی، به تحقیق در مورد این مقاله کمک کرد. ادامه مطلب مقاله اصلی.
