NASA確信獵戶座隔熱罩不會再出問題

“阿爾忒彌斯2號”的隔熱罩在肯尼迪航天中心接受檢查，隨后被安裝在“獵戶座”飛船底部，用于在繞月飛行后護送四名宇航員返回地球。該隔熱罩的設計目的是保護飛船免受高達2760攝氏度的再入高溫影響。

當“阿爾忒彌斯2號”任務的“獵戶座”飛船完成繞月飛行返回地球時，它將以每小時約38,600公里的驚人速度，在太平洋上空約120公里處切入大氣層。這個速度快到足以讓它在不到10分鐘內從紐約飛到倫敦。

幾秒鐘內，其5米寬的隔熱罩表面溫度將飆升至2760攝氏度——相當于太陽可見表面溫度的一半。飛船在大氣摩擦形成的帶電火球中迅速減速。

船上的四名宇航員——“阿爾忒彌斯2號”指令長里德·懷斯曼（Reid Wiseman）、維克多·格洛弗（Victor Glover）、克里斯蒂娜·科赫（Christina Koch）和加拿大宇航員杰里米·漢森（Jeremy Hansen）——正寄希望于隔熱罩，確保他們在穿越最危險的加熱區(qū)域時安然無恙，并處于一個舒適的環(huán)境中，直至最終通過降落傘輔助濺落在太平洋。

“我們對這套系統(tǒng)、隔熱罩、降落傘以及我們組建的回收系統(tǒng)充滿信心，”美國國家航空航天局（NASA）副局長阿米特·克沙特里亞（Amit Kshatriya）周四表示。“工程學數(shù)據(jù)支持這一點，‘阿爾忒彌斯1號’的飛行數(shù)據(jù)支持這一點。我們所有的地面測試、分析也都支持這一點。明天，機組人員將用他們的生命為這份信心背書。”

盡管在2022年無人駕駛的“阿爾忒彌斯1號”試飛中，隔熱罩出現(xiàn)了嚴重問題——構成隔熱罩的Avcoat材料出現(xiàn)了內部裂紋和氣袋，導致保護層的“碳化”層被吹走——但機組人員和任務管理人員表示，他們依然充滿信心。

經過近兩年的測試和分析，工程師們發(fā)現(xiàn)，損壞很可能是由Avcoat材料在再入的某個特定階段缺乏滲透性造成的。當時，隔熱罩外部溫度較低，而內部層仍然極熱，產生的氣體無法排出。

NASA管理層已決定為后續(xù)的“阿爾忒彌斯”任務訂購不同設計的隔熱罩。但“阿爾忒彌斯2號”的隔熱罩與“阿爾忒彌斯1號”使用的完全相同，并且已經安裝完畢。更換新設計將使任務推遲18個月或更久。

因此，NASA管理人員決定“按原樣”發(fā)射“阿爾忒彌斯2號”。這一決定基于測試數(shù)據(jù)和詳盡的分析，這些分析表明，如果修改再入軌跡，消除導致“阿爾忒彌斯1號”損壞的溫度和壓力波動，隔熱罩就能正常工作。

“他們做了大量的研究，在一些我們以前沒用過的設施里進行了開創(chuàng)性的研究，并發(fā)現(xiàn)了根本原因，”懷斯曼說。

“他們進行了風洞測試、激光測試和高超音速測試，并確定，如果我們采用這種‘高拋式’再入剖面……那么這個隔熱罩對我們來說是安全的。”

“所以我認為一切都指向好的方向，”他說。“我認為，如果你是一個即將登上這枚火箭的人，參加過我們參加過的會議，聽過專家的意見，并和他們一起看過數(shù)據(jù)，你也會感到同樣的安心。”

“阿爾忒彌斯1號”出了什么問題

在“阿爾忒彌斯1號”任務中，無人駕駛的飛船遵循了計劃中的“跳躍式”軌跡，其概念類似于在水面上打水漂。飛船先是初次進入大氣層，然后又彈回太空，最后才最終下降并濺落。

這種跳躍式再入有助于降低飛船速度，同時為NASA提供更廣的濺落點選擇范圍，以防惡劣天氣影響預定著陸點。

盡管“阿爾忒彌斯1號”的再入是成功的，飛船也精準著陸，官員們表示即使上面有宇航員也不會有任何問題，但隔熱罩的損壞還是引起了NASA的警覺。

“NASA在‘獵戶座’飛船回收后的檢查中發(fā)現(xiàn)，其隔熱罩的燒蝕熱防護材料在再入地球大氣層時，在超過100個位置出現(xiàn)了與預期不同的磨損，”NASA監(jiān)察長辦公室寫道。

“雖然隔熱罩在‘阿爾忒彌斯1號’任務中成功保護了乘員艙及其系統(tǒng)，但在檢查后，工程師們注意到隔熱罩Avcoat材料的外觀出現(xiàn)了意料之外的變化——這是一種幫助飛船抵御再入高溫的燒蝕材料。”

“具體來說，碳化層的部分磨損方式與NASA工程師預測的不同，它們發(fā)生開裂并以碎片形式從飛船上脫落，形成了一條碎片軌跡，而不是按設計那樣融化掉。Avcoat材料的這種意外行為給未來任務的隔熱罩帶來了風險，它可能無法充分保護飛船系統(tǒng)和機組人員免受再入時的極端高溫。”

測試表明，損壞與隔熱罩的滲透性有關，或者更確切地說，是缺乏滲透性。

再入加熱使得Avcoat外部的碳化層具有足夠的滲透性，讓氣體得以排出。“阿爾忒彌斯1號”的隔熱罩在初次進入大氣層時工作正常。但當它彈回太空時，再入加熱減弱，外部碳化層的滲透性大大降低。

底層材料仍然極熱，正在進行一種名為“熱解”（無氧燃燒）的過程，并產生無法排出的氣體。這些積聚的氣體最終吹走了隔熱罩外層的碎片。

“它們從第一次再入后彈回，仍然很熱，仍在釋放氣體，”一位熟悉該調查的工程師說。“材料本身滲透性不足的事實導致氣體壓力現(xiàn)在非常迅速地積聚，因為它們仍然很熱。但碳化層已經停止了（滲透過程）。”

他說，外部的碳化層“是‘阿爾忒彌斯1號’和‘阿爾忒彌斯2號’隔熱罩中唯一允許其‘呼吸’或釋放氣體的部分。所以一旦它停止，隔熱罩更深層的部分就沒有任何機制可以讓氣體排出。”

“所以壓力積聚起來，當飛船再次下降并重新開始加熱時，壓力已經存在。所有的裂縫、氣袋都已經形成。然后，砰，砰，砰，噗。Avcoat開始在第二次再入期間剝落。”

修改后的再入軌跡應能確保良好的隔熱罩性能

工程師們通過實驗室測試證實，一種改進的跳躍式再入軌跡——即初次進入大氣層后，以更短的持續(xù)時間彈回——可以讓Avcoat在整個過程中“呼吸”，防止裂縫和被困氣體的形成。一個獨立的審查小組也同意了這些結論。

有趣的是，阿波羅時代的工程師們已經意識到了Avcoat的滲透性問題，并相應地設計了該計劃的隔熱罩。阿波羅飛船也使用了跳躍式再入軌跡，并且沒有出現(xiàn)問題。但“阿爾忒彌斯”隔熱罩中使用的Avcoat配方略有調整，這最終影響了其滲透性。

無論如何，為“阿爾忒彌斯2號”修改再入軌跡的缺點是，它將減少“獵戶座”飛船為避開預定濺落區(qū)惡劣天氣而能飛行的距離。這也會導致下降過程中持續(xù)的熱量更高，但工程師們表示，這正是維持外部碳化層滲透性并確保良好性能所需要的。

前宇航員查爾斯·卡馬達（Charles Camarda）對此表示強烈反對，嚴厲批評了“按原樣飛行”的決定。他認為，工程師們并未完全理解“阿爾忒彌斯1號”隔熱罩損壞的根本原因，也無法準確預測“阿爾忒彌斯2號”隔熱罩的性能，或者修訂后的再入軌跡是否會產生意想不到的后果。

在給NASA局長的一封信中，卡馬達寫道：“歷史表明，當組織說服自己理解了他們其實并不了解的問題時，事故就會發(fā)生。”

和懷斯曼一樣，格洛弗表示他相信對“阿爾忒彌斯1號”問題的分析，他說批評者“沒有從第一天起就參加這些會議，沒有見過團隊，沒有和他們握手，沒有在會議結束時看著他們的眼睛。”

不過，他補充說：“我不想貶低他們所說的話。任何時候你談論火，談論再入和隔熱罩，談論降落傘，這些都是高風險的事情……沒有內置的容錯能力。它們必須成功。”

“所以我感謝他們所有的推動、刺探和督促。他們讓我們更加嚴謹，投入了更多的盡職調查和警惕。但我認為我們已經做到了。所以我認為機組人員因此感到安心。”