Nach umfangreichen Analysen und Tests hat die NASA die technische Ursache für den unerwarteten Verlust von verkohlenden Teilen im Hitzeschild des Orion-Raumschiffs Artemis I gefunden. Eine Pressemitteilung der NASA.
Quelle: NASA, 5. Dezember 2024.
(Bild: NASA / Rad Sinyak)
5. Dezember 2024 – Bei der Rückkehr der Orion von ihrer unbemannten Mission um den Mond stellten die Ingenieure fest, dass Gase, die im Inneren des Avcoat genannten ablativen Außenmaterials des Hitzeschilds entstanden waren, nicht wie erwartet entweichen und abfließen konnten. Dadurch baute sich Druck auf und es kam zu Rissen, so dass an mehreren Stellen verkohltes Material abbrach.
„Unsere frühen Artemis-Flüge sind eine Testkampagne, und der Artemis I-Testflug gab uns die Möglichkeit, unsere Systeme in der tiefen Weltraumumgebung zu testen, bevor wir bei künftigen Missionen eine Besatzung mitnehmen“, sagte Amit Kshatriya, Deputy Associate Administrator, Moon to Mars Program Office, NASA Headquarters in Washington. „Die Untersuchung des Hitzeschilds hat dazu beigetragen, dass wir die Ursache und die Art des Problems sowie das Risiko, das wir unseren Besatzungen zumuten, wenn sie sich auf den Mond begeben, vollständig verstehen.“
Ergebnisse
Die Teams gingen methodisch vor, um die Ursache des Verlustes von ablativem Material zu verstehen und zu ermitteln. Dazu gehörten detaillierte Proben des Hitzeschilds von Artemis I, die Auswertung von Bildern und Daten von Sensoren auf dem Raumfahrzeug sowie umfassende Tests und Analysen am Boden.
Während Artemis I verwendeten die Ingenieure die Technik des „Skip Guidance Entry“, um Orion zur Erde zurückzubringen. Diese Technik bietet mehr Flexibilität, da sie die Reichweite von Orion nach dem Wiedereintritt zu einem Landeplatz im Pazifischen Ozean vergrößert. Bei diesem Manöver tauchte Orion in den oberen Teil der Erdatmosphäre ein und nutzte den atmosphärischen Luftwiderstand zur Verlangsamung. Anschließend nutzte Orion den aerodynamischen Auftrieb der Kapsel, um wieder aus der Atmosphäre zu entkommen, und trat dann für den endgültigen Abstieg mit Fallschirmen zur Wasserlandung wieder ein.
Anhand der Daten über die Reaktion des Avcoat-Materials von Artemis I konnte das Untersuchungsteam die Umgebung der Eintrittsbahn von Artemis I – ein Schlüsselelement für das Verständnis der Ursache des Problems – in den Arc-Jet-Anlagen des Ames Research Center der NASA in Kalifornien nachstellen. Sie beobachteten, dass in der Zeit zwischen den Eintauchvorgängen in die Atmosphäre die Heizraten sanken und sich die Wärmeenergie im Avcoat-Material des Hitzeschilds ansammelte. Dies führte zur Ansammlung von Gasen, die Teil des erwarteten Ablationsprozesses sind. Da das Avcoat keine „Permeabilität“ aufwies, baute sich ein Innendruck auf, der zu Rissen und ungleichmäßiger Ablösung der äußeren Schicht führte.
(Bild: NASA)
Die Teams führten umfangreiche Bodentests durch, um das Phänomen des „Skip“ vor der Artemis I Mission zu reproduzieren. Sie testeten jedoch mit viel höheren Heizraten, als das Raumfahrzeug während des Fluges erlebte. Die hohen Heizraten, die am Boden getestet wurden, ermöglichten es einer durchlässigen Verkohlung, sich zu bilden und wie erwartet abzutragen, wodurch der Gasdruck abgebaut wurde. Die weniger starke Erhitzung während des tatsächlichen Wiedereintritts von Artemis I verlangsamte den Prozess der Verkohlung, erzeugte aber dennoch Gase in der Verkohlungsschicht. Der Gasdruck baute sich bis zu dem Punkt auf, an dem der Avcoat zerbrach und Teile der verkohlten Schicht freigesetzt wurden. Jüngste Verbesserungen an der Arc-Jet-Anlage ermöglichten eine genauere Reproduktion der von Artemis I gemessenen Flugbedingungen, so dass dieses Rissverhalten bei Bodentests nachgewiesen werden konnte.
Obwohl Artemis I unbemannt war, zeigten die Flugdaten, dass eine Besatzung sicher gewesen wäre, wenn sie an Bord gewesen wäre. Die Temperaturdaten der Systeme des Besatzungsmoduls in der Kabine lagen ebenfalls innerhalb der Grenzwerte und bewegten sich konstant in einem Bereich um 25 Grad Celsius. Die thermische Leistung des Hitzeschilds übertraf die Erwartungen.
Die Ingenieure verstehen sowohl das Materialphänomen als auch die Umgebung, mit der die Materialien während des Eintritts interagieren. Wenn sie das Material oder die Umgebung verändern, können sie vorhersagen, wie das Raumfahrzeug reagieren wird. Die NASA-Teams waren sich einig, dass die Agentur ein akzeptables Flugkonzept entwickeln kann, das die Sicherheit der Besatzung gewährleistet, indem sie den aktuellen Hitzeschild Artemis II mit betrieblichen Änderungen für den Eintritt verwendet.
Der Untersuchungsprozess der NASA
Kurz nachdem die NASA-Ingenieure den Zustand des Hitzeschilds von Artemis I entdeckt hatten, begann die Behörde mit einer umfassenden Untersuchung, an der ein multidisziplinäres Team von Experten für Wärmeschutzsysteme, Aerothermodynamik, thermische Tests und Analysen, Belastungsanalysen, Materialtests und -analysen sowie viele andere verwandte technische Bereiche beteiligt war. Das Engineering and Safety Center der NASA wurde ebenfalls hinzugezogen, um technisches Fachwissen zu liefern, einschließlich zerstörungsfreier Bewertung, thermischer und struktureller Analyse, Fehlerbaumanalyse und anderer Testunterstützung.
„Wir haben den Prozess zur Untersuchung des Hitzeschilds sehr ernst genommen, wobei die Sicherheit der Besatzung die treibende Kraft hinter der Untersuchung war“, sagte Howard Hu, Manager des Orion-Programms im Johnson Space Center der NASA in Houston. „Der Prozess war sehr umfangreich. Wir haben dem Team die Zeit gegeben, die es brauchte, um alle möglichen Ursachen zu untersuchen, und sie haben unermüdlich gearbeitet, um sicherzustellen, dass wir das Phänomen verstehen und die notwendigen Schritte unternehmen, um dieses Problem für zukünftige Missionen zu entschärfen.“
Der Hitzeschild von Artemis I wurde während des Fluges mit Drucksensoren, Dehnungsmessern und Thermoelementen in unterschiedlichen Tiefen des Ablationsmaterials ausgestattet. Die Daten dieser Instrumente ergänzten die Analyse der physikalischen Proben und ermöglichten dem Team die Validierung von Computermodellen, die Erstellung von Umweltrekonstruktionen, die Erstellung von internen Temperaturprofilen und einen Einblick in den Zeitpunkt des Verkohlungsverlustes.
Etwa 200 Avcoat-Proben wurden aus dem Hitzeschild von Artemis I im Marshall Space Flight Center der NASA in Alabama entnommen, um sie zu analysieren und zu untersuchen. Das Team führte eine zerstörungsfreie Bewertung durch, um in das Innere des Hitzeschilds zu sehen“.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus der Untersuchung dieser Proben war, dass lokale Bereiche mit durchlässigem Avcoat, die vor dem Flug identifiziert worden waren, keine Risse oder Verkohlungsverluste aufwiesen. Da diese Bereiche zu Beginn des Eintritts durchlässig waren, konnten die durch die Ablation erzeugten Gase ausreichend entweichen, wodurch Druckaufbau, Risse und Verkohlungsverluste vermieden wurden.
(Bild:: NASA)
Zur Unterstützung der Ursachenanalyse führten die Ingenieure nach dem Flug acht separate thermische Testkampagnen durch, wobei 121 einzelne Tests durchgeführt wurden. Diese Tests fanden in Einrichtungen mit einzigartigen Fähigkeiten im ganzen Land statt, darunter die Aerodynamic Heating Facility im Arc-Jet Complex in Ames zur Prüfung konvektiver Erwärmungsprofile mit verschiedenen Prüfgasen, das Laser Hardened Materials Evaluation Laboratory auf der Wright-Patterson Air Force Base in Ohio zur Prüfung von Strahlungserwärmungsprofilen und zur Bereitstellung von Echtzeit-Radiographie sowie die Interaction Heating Facility in Ames zur Prüfung kombinierter konvektiver und strahlender Erwärmungsprofile in der Luft im Maßstab eines ganzen Blocks.
Die Aerothermieexperten führten auch zwei Hyperschall-Windkanal-Testkampagnen im Langley Research Center der NASA in Virginia und in den aerodynamischen Testeinrichtungen des CUBRC in Buffalo, New York, durch, um eine Vielzahl von Char-Loss-Konfigurationen zu testen und analytische Modelle zu verbessern und zu validieren. Permeabilitätstests wurden auch bei Kratos in Alabama, an der Universität von Kentucky und bei Ames durchgeführt, um das Elementarvolumen und die Porosität des Avcoats weiter zu charakterisieren. Die Advanced Light Source Testanlage, eine wissenschaftliche Nutzereinrichtung des US-Energieministeriums am Lawrence Berkeley National Laboratory, wurde von den Ingenieuren ebenfalls genutzt, um das Erhitzungsverhalten des Avcoat auf Mikrostrukturebene zu untersuchen.
Im Frühjahr 2024 setzte die NASA ein unabhängiges Prüfungsteam ein, das den Untersuchungsprozess, die Erkenntnisse und die Ergebnisse der Behörde umfassend überprüfte. Die unabhängige Überprüfung wurde von Paul Hill geleitet, einem ehemaligen NASA-Führungsmitglied, das nach dem Columbia-Unfall als leitender Direktor für die Rückkehr zum Flug diente, das Mission Operations Directorate der NASA leitete und derzeit Mitglied des Aerospace Safety Advisory Panel der Behörde ist. Die Überprüfung erstreckte sich über einen Zeitraum von drei Monaten, um den Zustand des Hitzeschilds nach dem Flug, die Daten der Eintrittsumgebung, die thermische Reaktion des Ablators und die Untersuchungsfortschritte der NASA zu bewerten. Das Überprüfungsteam stimmte mit den Erkenntnissen der NASA über die technische Ursache für das physikalische Verhalten des Hitzeschilds überein.
Fortschritte bei Hitzeschilden
Da die NASA weiß, dass die Durchlässigkeit von Avcoat ein Schlüsselparameter zur Vermeidung oder Minimierung von Verkohlungsverlusten ist, verfügt sie über die richtigen Informationen, um die Sicherheit der Besatzung zu gewährleisten und die Leistung künftiger Artemis-Hitzeschilde zu verbessern. Im Laufe ihrer Geschichte hat die NASA aus jedem ihrer Flüge gelernt und Verbesserungen in die Hardware und den Betrieb eingebaut. Die während des Artemis-I-Testflugs gesammelten Daten haben den Ingenieuren unschätzbare Informationen für künftige Konstruktionen und Verbesserungen geliefert. Die Leistungsdaten des Mondrückflugs und ein robustes Qualifizierungsprogramm für Bodentests, das nach den Erfahrungen des Artemis I-Flugs verbessert wurde, unterstützen die Produktionsverbesserungen für den Hitzeschild von Orion. Künftige Hitzeschilde für Orions Rückkehr von Artemis-Mondlandungsmissionen werden so produziert, dass sie einheitlich und durchgängig durchlässig sind. Das Qualifikationsprogramm wird derzeit zusammen mit der Produktion von durchlässigeren Avcoat-Blöcken in der Michoud Assembly Facility der NASA in New Orleans abgeschlossen.
Weitere Informationen über Artemis finden Sie im Internet: https://www.nasa.gov/artemis
Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth
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