NASA确定Artemis I猎户座飞船热盾材料损失的原因

经过广泛的分析和测试，美国宇航局已经确定了阿耳忒弥斯一号猎户座飞船隔热罩中烧焦材料意外损失的技术原因。

工程师们确定，当猎户座完成围绕月球的无人飞行任务返回时，隔热罩外部烧蚀材料（称为 Avcoat）内产生的气体无法按计划排出和消散。这使得压力增大并产生裂缝，导致一些烧焦的材料在几个地方断裂。

“我们的首次阿尔忒弥斯飞行是一次测试活动，阿尔忒弥斯一号试飞让我们有机会在让机组人员执行未来的任务之前在深空环境中测试我们的系统，”月球到火星项目的管理员副助理阿米特·刹帝利 (Amit Kshatriya) 说道。位于华盛顿 NASA 总部的项目办公室。 “隔热罩研究有助于确保我们充分了解问题的原因和性质，以及我们要求宇航员在踏上月球之旅时承担的风险。”

研究结果

技术团队采取了系统的方法来了解和确定炭损失问题的根源，包括对阿耳忒弥斯一号的隔热罩进行详细采样、检查航天器传感器的图像和数据，以及在地面进行测试和详尽的分析。

在阿尔忒弥斯一号期间，工程师们使用了双大气层再入引导技术来帮助猎户座返回地球。这项技术通过扩展猎户座重返大气层后的飞行范围，将其带到太平洋的溅落位置，从而提供了更大的灵活性。通过这种机动，猎户座坠入地球大气层的上部，并利用大气阻力使其减速。然后猎户座利用太空舱的空气动力升力从大气层反弹回来，然后重新进入最后的降落伞下降以溅落。

利用 Artemis I 的 Avcoat 材料响应数据，研究小组能够在该中心位于加利福尼亚州的 NASA 艾姆斯研究中心内模拟 Artemis I 的进入轨迹环境，这是了解问题原因的关键部分。他们观察到，在大气层潜水期间，加热速率减慢，热能在隔热罩的 Avcoat 材料内积累。这导致气体积聚，这是预期消融（磨损）过程的一部分。由于 Avcoat 没有“渗透性”，内部压力增大，导致外层破裂和不均匀剥离。

在阿耳忒弥斯一号任务之前，技术团队进行了广泛的地面测试来模拟再入弹跳现象，然而，他们测试的加热速率比航天器在飞行过程中经历的要高得多。在陆地上测试的高加热速率使可渗透的炭能够按预期形成和风化，释放气压。在阿耳忒弥斯一号实际再入期间观察到的不太严重的加热减缓了碳化材料的形成过程，同时继续在该材料层中产生气体。气压升高到使 Avcoat 破裂并释放部分炭层的程度。最近对电弧喷射设施的改进使得可以更准确地再现阿耳忒弥斯一号记录的飞行环境，从而可以在地面测试中证明这种破裂行为。

虽然阿耳忒弥斯一号是无人驾驶的，但飞行数据显示，如果机组人员在船上，他们就会安全。机舱内乘员舱系统的温度数据也在限制范围内且稳定，温度约为 24 摄氏度（75 华氏度）。隔热罩性能超出预期。

工程师了解材料现象以及材料在进入大气层时与其相互作用的环境。通过改变材料或环境，他们可以预测航天器将如何响应。 NASA 团队一致认为，该机构可以开发出可接受的飞行分析，使用当前的 Artemis II 隔热罩并对其进入大气层的操作进行更改，以保证机组人员的安全。

NASA的研究过程

在 NASA 工程师发现阿耳忒弥斯一号隔热罩的状况后不久，该机构开始了广泛的调查过程，其中包括热防护系统、空气热力学、热测试和分析、应力分析（材料疲劳）、材料测试和分析等领域的多学科专家团队。分析等许多相关技术领域。 NASA 的工程和安全中心也参与提供技术专业知识，包括无损评估、热和结构分析、故障树分析以及其他支持测试的方法。

“我们非常重视我们的隔热罩研究过程，将机组人员的安全作为推动这项研究的驱动力，”美国宇航局休斯顿约翰逊航天中心猎户座项目经理霍华德胡说。 “这个过程很广泛。 “我们给了团队必要的时间来调查所有可能的原因，他们不知疲倦地工作，以确保我们了解这一现象以及在未来的任务中缓解这一问题所需的步骤。”

Artemis I 隔热罩在这次飞行中配备了大量仪器，包括位于烧蚀材料不同深度的压力传感器、引伸计和热电偶。来自这些仪器的数据增强了对物理样本的分析，使团队能够验证计算机模型、创建环境重建、提供内部温度曲线并提供有关炭损失时间的信息。

大约 200 个 Avcoat 样品从阿拉巴马州 NASA 马歇尔太空飞行中心的 Artemis I 隔热罩中取出进行分析和检查。该团队进行了无损评估，以“看到”隔热罩的内部。

检查这些样品的最重要的发现之一是，飞行前已确定的可渗透 Avcoat 区域的一些表面没有出现裂纹或烧焦材料损失。由于这些表面在进入大气之初是可渗透的，因此烧蚀产生的气体可以充分排出，从而消除压力积聚、破裂和炭损失。

工程师进行了 8 次单独的飞行后热测试活动，以支持对这些情况的根源分析，完成了 121 项单独测试。这些测试是在美国不同地点具有独特功能的设施中进行的，其中包括： Ames Arc Jet Complex 的空气动力加热设施，用于通过各种气体测试来测试对流加热剖面；俄亥俄州帕特森赖特空军基地的激光增韧材料评估实验室，用于测试辐射加热曲线并提供实时 X 射线；以及艾姆斯的交互加热设施，用于测试整个块上空气中的组合对流和辐射加热分布，即对每个材料块进行所有测试。

气热专家还在弗吉尼亚州的 NASA 兰利研究中心高超音速风洞和纽约州布法罗的 CUBRC 空气动力学测试设施完成了两项测试活动，以对各种风配置的烧焦材料损失进行测试，并改进和验证。分析模型。阿拉巴马州的克雷托斯中心、肯塔基大学和艾姆斯中心也进行了渗透率测试，以进一步表征 Avcoat 的元素体积和孔隙率。先进光源研究中心测试设施是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学用户设施，工程师也使用该设施在微观结构水平上检查 Avcoat 的加热行为。

2024 年春季，NASA 成立了一个独立审查小组，对该机构的研究过程、调查结果和结果进行了全面审查。这项独立审查由美国宇航局前官员保罗·希尔领导，他在哥伦比亚号事故发生后担任返回飞行计划的主要航天飞机飞行总监，同时也是美国宇航局任务运营理事会的负责人，也是该机构的现任成员。该机构的航空航天安全咨询小组。此次审查历时三个月，旨在评估飞行后隔热罩条件、大气进入环境数据、烧蚀材料的热响应以及 POT 进展。审查小组同意美国宇航局关于隔热罩物理行为的技术原因的调查结果。

隔热罩的进展

NASA 知道 Avcoat 渗透性是避免或最大限度减少炭损失的关键参数，因此拥有正确的信息来确保机组人员的安全并提高 Artemis 计划中未来隔热罩的性能。纵观其历史，美国宇航局从每次飞行中吸取了教训，并在硬件和操作方面进行了改进。在 Artemis I 试飞过程中收集的数据为工程师提供了宝贵的信息，以指导未来的设计和改进。来自月球返回飞行的性能数据和强大的地面测试资格计划，在阿耳忒弥斯一号飞行经验之后得到增强，正在支持猎户座隔热罩生产的改进。猎户座返回阿耳忒弥斯登月任务的未来隔热罩正在生产中，以实现一致的均匀性和渗透性。资格认证项目目前正在新奥尔良 NASA 的 Michoud 装配厂完成，同时还将生产更具渗透性的 Avcoat 块。