NASA’nın mürettebat kapsülünde, bu kritik uzay aracı bileşenleri konusunda havacılık uzmanı olan Artemis I sırasında ısı kalkanı sorunları vardı

Aralık 2022’de Baja California açıklarında, USS Portland liman gemisinin etrafında dalgalar savrulduğunda güneş dalgalanan denizin üzerinde parlıyordu. Güvertedeki donanma yetkilileri bir işaret bulmak için gökyüzünü incelediler. Parıltı aniden ortaya çıktı.

İlk başta küçük bir nokta, yavaş yavaş büyüyerek uzayın kenarlarından büyük bir hızla düşen yuvarlak bir daireye dönüştü. Bu, NASA’nın Orion kapsülü25 günlük süre yakında sona erecek Artemis I görevi ayın çevresinde ve ötesinde, okyanusa ateşli bir sıçrama ile.

Orion’un yeniden girişi keskin açılı bir yörünge izledi; bu sırada kapsül inanılmaz bir hızla düştü ve ardından üç kırmızı ve beyaz paraşüt açıldı. Misyon 270.000 milin (435.000 kilometre) üzerindeki yolculuğunu tamamladığında, USS Portland’ın güvertesindekilere sanki kapsül eve tek parça halinde dönmüş gibi baktı.

Kurtarma ekibi Orion’u taşıyıcının güvertesine kaldırırken şok dalgaları kapsülün yüzeyinde dalgalandı. İşte o zaman mürettebat üyeleri, Orion’un alt yüzeyinde, kapsülün dış yüzeyinin ısı kalkanına bağlandığı yerde büyük çatlaklar görmeye başladı.

Peki neden yaklaşık 5.000 Fahrenheit (2.760 santigrat derece) sıcaklıklara dayanıklı bir kalkan hasar görmesin? Çok doğal görünüyor, değil mi?

Bu görev, Artemis I, mürettebatsızdı. Ancak NASA’nın nihai hedefi 2026’da Ay’a insan göndermek. Bu nedenle NASA’nın kapsülde oluşacak herhangi bir hasarın, hatta bir miktar hasar alması beklenen ısı kalkanının bile gelecekteki hayatları riske atmayacağından emin olması gerekiyordu. mürettebat.

11 Aralık 2022’de (Artemis I’in yeniden giriş zamanı) bu kalkan ciddi hasar aldı ve bu da sonraki iki Artemis görevini geciktirdi. Mühendisler artık aynı sorunların tekrar yaşanmasını önlemek için çalışırken, yeni lansman tarihi Nisan 2026’yı hedefliyor ve bu tarih hızla yaklaşıyor.

olarak havacılık teknolojisi profesörüNesnelerin atmosferle nasıl etkileşime girdiğini araştırmaktan keyif alıyorum. Artemis I özellikle ilginç bir örnek sunuyor ve işlevsel bir ısı kalkanına sahip olmanın bir uzay araştırma görevi için neden kritik olduğuna dair bir argüman sunuyor.

Isıyı almak

Orion’a tam olarak ne olduğunu anlamak için hikayeyi geri saralım. Kapsül Dünya atmosferine yeniden girdiğinde başladı üst katmanlarını gözden geçirerekBiraz trambolin gibi davranan ve yaklaşan uzay aracının kinetik enerjisinin bir kısmını emen. Bu manevra, Orion’un hızını kademeli olarak azaltmak ve kalkanın iç katmanlarındaki ısı stresini azaltmak için dikkatlice tasarlandı.

İlk dalışın ardından Orion, hesaplanmış bir manevrayla uzaya geri sıçradı ve tekrar dalmadan önce enerjisinin bir kısmını kaybetti. Bu ikinci dalış, okyanusa yaklaştıkça onu daha yoğun havanın olduğu alt katmanlara götürecek ve hızını daha da düşürecektir.

Düşerken, hava parçacıklarının kapsüle uyguladığı kuvvet, kapsülün hızının saatte yaklaşık 27.000 milden (saatte 43.000 kilometre) yaklaşık 20 mil/saat’e (32 km/saat) düşmesine yardımcı oldu. Ancak bu yavaşlamanın bir bedeli vardı; havanın sürtünmesi o kadar büyüktü ki, kapsülün hava akışına bakan alt yüzeyindeki sıcaklıklar 5.000 Fahrenheit’e (2.760 santigrat derece) ulaştı.

Bu kavurucu sıcaklıklarda hava molekülleri bölünmeye başladı ve yüklü parçacıkların sıcak karışımıplazma adı verilen oluştu. Bu plazma, aracın önünü çevreleyen kırmızı ve sarı renkli iltihaplı hava olarak görebileceğiniz enerjiyi yaydı ve bir mum şeklinde geriye doğru sardı.

Dünyadaki hiçbir malzeme bu cehennem ortamına ciddi zarar görmeden dayanamaz. Bu nedenle, bu kapsüllerin arkasındaki mühendisler, erime ve buharlaşma yoluyla feda edilecek, ısı kalkanı adı verilen bir malzeme tabakası tasarladılar, böylece sonunda astronotları barındıracak bölmeyi kurtardılar.

Isı kalkanı, bir gün kapsülün içinde olabilecek herkesi koruyan kritik bir bileşendir.

Bir kabuk biçimindeki bu kalkan, uzay aracının geniş ucunu, gelen hava akışına, yani aracın en sıcak kısmına bakan ucunu kapsıyor. Havanın araca sürtünmesi sonucu oluşan enerjiyi buharlaştıracak ve absorbe edecek şekilde tasarlanmış bir malzemeden yapılmıştır.

Orion vakası

Peki 2022’deki iniş sırasında Orion’un ısı kalkanına gerçekte ne oldu?

Orion durumunda, ısı kalkanı malzemesi bir kompozittir. Novolac adı verilen reçine– bazı ateşli silahların yapıldığı Bakalit’e bir akraba – fiberglas ipliklerden oluşan bal peteği yapısında emilir.

Yüzey ısıya ve hava akışına maruz kaldıkça reçine erir ve geri çekilerek cam elyafı açığa çıkar. Fiberglas çevredeki sıcak havayla reaksiyona girerek kömür adı verilen siyah bir yapı oluşturur. Bu kömür daha sonra ikinci bir ısı bariyeri görevi görür.

NASA, Orion için Apollo kapsülüyle aynı ısı kalkanı tasarımını kullandı. Ancak Apollo görevleri sırasında karakter yapısı Orion’daki gibi bozulmadı.

Kömürleşmiş malzemenin numunelerini analiz etmek için yaklaşık iki yıl harcadıktan sonra, NASA şu sonuca vardı: Orion proje ekibi, gemi yeniden girişte atmosferin üzerinden geçerken ısı akışını abartmıştı.

Orion atmosferin üst katmanlarına yaklaştıkça kalkan erimeye başladı ve üretilen gazlar malzemedeki gözeneklerden kaçmış olabilir. Daha sonra kapsül yeniden irtifa kazandığında reçinenin dış katmanları donarak ilk dalıştan gelen ısıyı içeride hapsetti. Bu ısı reçineyi buharlaştırdı.

Kapsül ikinci kez atmosfere daldığında, gaz bir çıkış yolu bulamadan genleşti ve tekrar ısındı; tıpkı donmuş bir gölün nasıl olduğu gibi. alttan yukarıya doğru çözülür—ve onun kaçışı kapsülün yüzeyinde çatlaklar oluştu Char yapısının hasar gördüğü yer. Bunlar kurtarma ekibinin kapsülün üzerine sıçradıktan sonra gördüğü çatlaklardı.

5 Aralık 2024’te yapılan bir basın toplantısında NASA yetkilileri, Artemis II misyonunun ısının birikmesini önlemek için değiştirilmiş bir yeniden giriş yörüngesiyle tasarlanacağını duyurdu.

NASA, 2027’de fırlatılması planlanan Artemis III için kalkan için yeni üretim yöntemleri kullanarak onu daha geçirgen hale getirmeyi planlıyor. Kapsülün dış kısmı yeniden giriş sırasında hâlâ çok sıcak olacak ve ısı kalkanı hâlâ buharlaşacak. Ancak bu yeni yöntemler, astronotların su sıçramasına kadar kapsül içinde rahat kalmasına yardımcı olacak.

Chonglin ZhangKuzey Dakota Üniversitesi’nde makine mühendisliği yardımcı doçenti olan Dr. , bu makalenin araştırılmasına yardımcı oldu.

Bu makale şuradan yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altındadır. Okuyun orijinal makale.