Огненный экзамен «Ориона»: как NASA решает проблему теплозащиты лунного корабля

Скоростное и безопасное возвращение экипажа миссии «Артемида-2» с Луны напрямую зависит от системы теплозащиты корабля «Орион». Её задача — выдержать чудовищный нагрев, чтобы защитить астронавтов. Однако после беспилотного лунного полета «Артемида-1» в конце 2022 года выяснилось, что абляционный теплозащитный материал неожиданно отслаивался от экрана «Ориона» во время прохождения через земную атмосферу. Несмотря на эту неприятность, миссия «Артемида-1» прошла успешно, завершившись приводнением в океан под парашютами 11 декабря 2022 года после почти 26 дней полета.

Причина проблемы

В ходе послеполетного анализа теплозащитного экрана «Артемиды-1» NASA обнаружило более ста мест, где абляционный материал был утерян во время скоростного возвращения корабля. NASA вместе с подрядчиками и независимой группой экспертов начало расследование, чтобы установить техническую причину неполадки. Было проведено более ста испытаний в различных лабораториях по всей стране. Вывод: теплозащита «Ориона» не позволяла в достаточной мере выходить газам, образующимся внутри материала под названием Avcoat. Это приводило к росту давления и растрескиванию, в результате чего обуглившийся материал откалывался в нескольких местах.

Как побеждают жар

Инженеры Lockheed Martin — головного подрядчика по созданию «Ориона» — разработали теплозащитный экран диаметром 5 метров, ставший самым крупным из когда-либо созданных для пилотируемых миссий. Абляционный материал Avcoat использовался еще на лунных миссиях «Аполлон», однако процесс его нанесения изменился. Вместо того чтобы рабочие вручную заполняли 300 000 сот панели, а затем нагревали материал для отверждения и придавали ему форму, теперь компания производит готовые блоки Avcoat (их чуть меньше 200). Эти блоки заранее обталиваются, подгоняются под карбоновую обшивку и приклеиваются на место, что значительно экономит время.

Ключевой фактор

Во время возвращения «Артемиды-1» корабль использовал технику «скипового» (прыгающего) входа в атмосферу. «Орион» нырнул в верхние слои атмосферы, использовал сопротивление воздуха для снижения скорости, а затем за счет аэродинамической подъемной силы капсулы вынырнул обратно, чтобы войти снова и финально спуститься на парашютах. Хотя это был беспилотный полет, NASA заявило, что температура внутри корабля оставалась комфортной и безопасной для гипотетического экипажа.

Измененная траектория

Перенесемся в настоящее, к миссии «Артемида-2», которая отправит четырех астронавтов в облет Луны уже в начале 2025 года.
Кенна Пелл из NASA сообщила, что траектория полета была изменена: сокращено расстояние, которое «Орион» пролетает между входом в атмосферу и приводнением в Тихом океане. Это ограничит время пребывания корабля в том температурном диапазоне, в котором произошло разрушение экрана во время первого полета.

Блейн Браун из Lockheed Martin добавил, что специальная группа определила: измененная траектория возвращения «Артемиды-2» минимизирует потерю материала и обеспечит достаточный запас тепловой защиты.

Без «прыжка»

Новая траектория подразумевает более крутой профиль входа и отказ от «прыжка» (скипа), что приведет к сокращению дистанции до места посадки. Компания провела обширные испытания материалов Avcoat, чтобы воспроизвести эффект разрушения, виденный на «Артемиде-1».
Браун также отметил, что материал для «Артемиды-3» (первая высадка людей на Луну, намеченная на 2028 год) — это фактически та же формула, что летала на «Артемиде-1» и будет использована на «Артемиде-2». «Мы лишь слегка изменили плотность, чтобы газы внутри абляционного материала могли выходить наружу во время сильного нагрева и последующего охлаждения», — пояснил Браун. В Lockheed Martin поддерживают решение NASA лететь на «Артемиде-2» с текущим теплозащитным экраном и уверены в безопасности его полета с экипажем.

Проблема, требующая срочного решения

Однако в отчете Управления генерального инспектора NASA, опубликованном в прошлом месяце, подчеркивается, что «наиболее срочной проблемой для возвращения людей на Луну является подготовка к "Артемиде-2"». В отчете говорится, что NASA должна решить ряд задач для безопасного полета четырех астронавтов в ходе 10-дневной миссии.
Хотя «Артемида-1» считается почти идеальным полетом, он выявил технические проблемы. В отчете подтверждается, что из-за неправильного отвода газов от теплозащиты произошло растрескивание и потеря материала.

Коренная причина и риски для будущих миссий

В отчете указано, что, учитывая нынешнее понимание коренной причины, NASA намерено использовать ту же конструкцию теплозащиты для «Артемиды-2», но с измененной, менее агрессивной траекторией возвращения.
Хотя этот подход технически осуществим, он сложен и не устраняет риск для теплозащиты в миссии «Артемида-3». Дополнительные испытания уже привели к сдвигу сроков всех последующих лунных миссий.
Во время возвращения «Артемиды-2», когда экипаж впервые после старта начнет ощущать воздействие атмосферы, вокруг корабля из-за трения образуется сверхгорячая плазма, которая временно заблокирует связь с астронавтами. Как поведет себя теплозащита на этот раз на измененной траектории погружения в атмосферу — это момент, который заставит всех вновь затаить дыхание.