Artemis II: Najbardziej ryzykowna część misji dopiero się zaczyna

Astronauci misji Artemis II oddalili się od Ziemi bardziej niż jakikolwiek człowiek wcześniej. Najtrudniejszy moment tej wyprawy może jednak nadejść dopiero teraz, podczas wejścia kapsuły Orion w atmosferę

Astronauci Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch i Jeremy Hansen są w trakcie misji, która po raz pierwszy od ponad pół wieku zabrała ludzi tak daleko. Podczas dziesięciodniowego lotu załoga okrążyła Księżyc i przeleciała statkiem Orion około 7600 km za jego niewidoczną z Ziemi stroną. W praktyce oznacza to, że cała czwórka oddaliła się od naszej planety bardziej niż jakikolwiek człowiek w historii.

To lot odważny i efektowny, ale największe obawy budzi nie sam przelot obok Księżyca, tylko końcówka misji. Najbardziej ryzykowne może się okazać ostatnich kilka minut, kiedy kapsuła zacznie wracać przez atmosferę Ziemi.

Już bezzałogowa misja testowa Oriona z 2022 r. pokazała, że słabym punktem może być osłona termiczna. To właśnie ona ma przyjąć na siebie potężne temperatury, jakie pojawiają się podczas wejścia w atmosferę. Po zakończeniu misji Artemis I inżynierowie odkryli, że z osłony termicznej odpadły duże fragmenty materiału. To od razu postawiło oczywiste pytanie: co się stanie, jeśli podobny problem wystąpi podczas lotu z ludźmi na pokładzie?

Od początku ery lotów kosmicznych kapsuły chroniono przed rozgrzaniem za pomocą tzw. osłon ablacyjnych. Są to materiały, które podczas wejścia w atmosferę stopniowo się wypalają i zużywają, odprowadzając w ten sposób część energii cieplnej. W czasach wahadłowców NASA poszła inną drogą. Zamiast osłony ablacyjnej zastosowano system bardzo lekkich płytek z włókien krzemionkowych pokrytych szkłem. Rozwiązanie było imponujące pod względem właściwości cieplnych, ale miało też poważną wadę: było bardzo delikatne i wymagało ogromnej ilości pracy po każdej misji. To właśnie uszkodzenie tego kruchego systemu ochrony doprowadziło do katastrofy wahadłowca Columbia w 2003 roku. Przy programie Artemis NASA wróciła więc do starszej, bardziej klasycznej koncepcji osłony ablacyjnej.

Osłona kapsuły Orion została wykonana z materiału o nazwie Avcoat. To rozwinięcie rozwiązania używanego wcześniej w programie Apollo. NASA rozważała również nowsze materiały, ale ostatecznie wybrała ten, który sprawdził się już w praktyce podczas lotów księżycowych. Sama konstrukcja osłony nie jest jednak taka sama jak w czasach Apollo. Wówczas była to jedna struktura przypominająca plaster miodu, złożona z około 320 tys. osobno wypełnianych sześciokątnych komórek. W Orionie postawiono na inne rozwiązanie: około 180 oddzielnych bloków, co miało uprościć i ujednolicić produkcję.

Pierwszy test tej osłony odbył się w 2014 r. Bezzałogową kapsułę Orion wyniesiono wtedy rakietą Delta IV na wysokość około 5800 km. Przy powrocie do atmosfery pojazd rozgrzał się do około 2,2 tys. st. Celsjusza, ale osłona wytrzymała próbę. Kolejny sprawdzian przyszedł w 2022 r. podczas misji Artemis I. Był to pierwszy lot rakiety Space Launch System i zarazem bezzałogowa próba profilu misji przygotowywanego później dla Artemis II. Tym razem Orion wracał z dużo większej odległości, a temperatura podczas wejścia w atmosferę sięgnęła około 2,8 tys. st. Celsjusza. Właśnie wtedy pojawiły się pierwsze poważne wątpliwości dotyczące Avcoatu.

Problem polegał na tym, że materiał nie zużywał się równomiernie na całej powierzchni. Zamiast tego miejscami odrywały się od niego nieregularne kawałki. To zły sygnał, bo przy takim zachowaniu trudniej dokładnie przewidzieć, jakie obciążenia cieplne pojawią się podczas wejścia w atmosferę. A to z kolei zwiększa ryzyko, że kapsuła będzie nagrzewać się bardziej, niż zakładano. Po analizie ustalono, że przyczyną było nieregularne uwalnianie gazów uwięzionych wewnątrz materiału osłony. 

Problem nasilił jeszcze sposób powrotu zastosowany w misji. Chodzi o tzw. skip re-entry, czyli profil wejścia w atmosferę przypominający rzut kamieniem po wodzie. Orion najpierw tylko zahacza o górne warstwy atmosfery, żeby wytracić część prędkości. Potem, dzięki sile nośnej, znów się z niej wynurza, by po chwili wejść po raz drugi i dopiero wtedy rozpocząć ostateczne opadanie ku Ziemi.

Śledczy NASA ustalili, że w czasie tej krótkiej przerwy między jednym a drugim wejściem w atmosferę tempo nagrzewania spadało, ale ciepło nadal gromadziło się wewnątrz materiału. To prowadziło do narastania ciśnienia gazów, powstawania pęknięć i odpadania kolejnych fragmentów osłony.

Po doświadczeniach z Artemis I NASA wprowadziła kilka zmian mających zwiększyć bezpieczeństwo załogi Artemis II. Sam materiał Avcoat pozostawiono, ale przeprojektowano układ bloków tak, by gazy mogły łatwiej wydostawać się na zewnątrz podczas wejścia w atmosferę. NASA zrezygnowała też z manewru skip i wybrała prostszy, bardziej bezpośredni profil powrotu. Dzięki temu łatwiej przewidzieć, jak będzie rozkładać się nagrzewanie, a materiał osłony krócej pozostaje wystawiony na najbardziej krytyczne warunki. Ma to jednak swoją cenę: podczas hamowania załoga będzie odczuwać większe przeciążenia.

W kulminacyjnym momencie filmu Apollo 13 dyrektor lotu Gene Kranz mówi do zespołu w centrum kontroli lotów: „porażka nie wchodzi w grę”. Nie jest to autentyczny cytat z historii misji, lecz kwestia dopisana później przez scenarzystów. Mimo to zdanie weszło do obiegu i zrosło się z wizerunkiem NASA bardziej, niż zapewne ktokolwiek planował. W przypadku Artemis II brzmi ono wyjątkowo dosłownie. W końcowej fazie tej misji nie ma planu awaryjnego, alternatywnej drogi ani możliwości ucieczki. Czwórka astronautów jest zdana na kilka centymetrów materiału z żywicy i krzemionki, który ma osłonić kapsułę przed temperaturami sięgającymi niemal połowy temperatury powierzchni Słońca.

Załogowe loty kosmiczne zawsze wiązały się z ryzykiem, ale dawały też coś, czego nie da się zastąpić: ludzką perspektywę. Misja Artemis II sprawiła, że jej załoga jako pierwsza od ponad 50 lat mogła zobaczyć Ziemię jako całość z tak wielkiej odległości. Astronauci niosą ze sobą oczekiwania nowego pokolenia odkrywców. Ich bezpieczny powrót zależy od pracy tysięcy naukowców i inżynierów — i od tego, czy Orion przetrwa najgorętsze kilka minut całej wyprawy.

Źródło: Artykuł Heat shield safety concerns raise stakes for Nasa’s Artemis II Moon mission ukazał się oryginalnie w serwisie The Conversation.

• Nauki techniczne