Das Wärmeschutzsystem des Orion-Besatzungsmoduls muss während der Hochgeschwindigkeitsrückkehr zur Erde aus der Monddistanz glühenden Temperaturen standhalten, um die Sicherheit der Besatzungsmitglieder zu gewährleisten. Mit einem Durchmesser von 5 Metern (16,5 Fuß) ist der Hitzeschild von Orion der größte seiner Art, der für Missionen mit Astronauten entwickelt wurde.(Bildnachweis: NASA)
Anfang des Jahres gab die NASA bekannt, dass sie den bemannten Artemis-2-Vorbeiflug am Mond auf September 2025 verschoben hat, ein Übungslauf zur Vorbereitung der Artemis-3-Mission im Jahr 2026, bei der Astronauten in der Nähe des Mondsüdpols landen sollen.
Ein Grund für die 10-monatige Verzögerung war die Auswertung der Hitzeschilddaten von Artemis 1, bei der eine unbemannte Orion-Kapsel in die Mondumlaufbahn und wieder zurück geschickt wurde.
Ingenieure haben die Daten dieser Erkundungsreise analysiert, die mit einem Start durch das Space Launch System megarocket der NASA am 16. November 2022 begann.
Die 25-tägige Artemis-1-Mission endete am 11. Dezember 2022, als die Orion-Kapsel mit Fallschirmen im Pazifischen Ozean vor Baja California aufschlug.
Am 11. Dezember 2022 landete das Orion-Raumschiff für die Mission Artemis 1 nach einer 25-tägigen Mission in der Mondumlaufbahn im Pazifischen Ozean. (Bildnachweis: NASA/James M. Blair)
Inhaltsübersicht
Glühender Wiedereintritt
Orions Hitzeschild hielt an diesem Tag die Wiedereintrittsgeschwindigkeit von 40.000 km/h (25.000 mph) aus und schützte die Kapsel gut. Doch schon bald darauf mussten die NASA und die Auftragnehmer feststellen, dass sich der ablative Hitzeschild von Orion anders abnutzte als vorhergesagt.
Einige Bereiche des erwarteten verkohlten Materials lösten sich in einer Weise auf, die von der Computermodellierung und den Bodentests nicht vorhergesagt wurde. Außerdem wurde beim Wiedereintritt etwas mehr verkohltes Material freigesetzt als erwartet.
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Orions Hitzeschild besteht aus demselben ablativen Material, Avcoat genannt, das während des Apollo-Programms in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren verwendet wurde. Allerdings wurde der Herstellungsprozess des Hitzeschilds gegenüber der Apollo-Ära geändert.
Orions Hitzeschild besteht aus einem ablativen Material namens Avcoat (Bildnachweis: Lockheed Martin)
Vintage Apollo
Während Avcoat ein klassisches Apollo-System ist, wurde der Produktionsprozess für das Wärmeschutzsystem von Orion im 21.
Lockheed Martin, das Unternehmen, das den Entwicklungsprozess für den Hitzeschild von Orion leitet, erklärt auf der Website des Luft- und Raumfahrtunternehmens: „Anstatt 300.000 Wabenzellen einzeln mit ablativem Material zu füllen, das Material dann durch Hitze auszuhärten und in die richtige Form zu bringen, stellt das Team jetzt Avcoat-Blöcke her – weniger als 200 -, die bereits so bearbeitet sind, dass sie in ihre Position passen und auf die Kohlefaserhaut des Hitzeschilds geklebt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht es, Avcoat in nur einem Viertel der bisherigen Zeit aufzutragen und spart nach Angaben des Unternehmens auch noch Geld.
Ursache
Bei der Inspektion des Orion-Hitzeschilds Artemis 1 nach dem Flug wurde ein unerwarteter Verlust von Teilen der Kohleschicht des Raumfahrzeugs festgestellt. Die NASA hat sich im wahrsten Sinne des Wortes mit einem Laser darauf konzentriert, die Ursache für den Verlust von Holzkohle und die Avcoat-Rissbildung zu verstehen.
„Wir haben einen Ansatz für Bodentests in Form von Bausteinen entwickelt und durchgeführt, bei dem wir behördliche und externe Testeinrichtungen nutzen“, sagte das Orion-Programmbüro der NASA gegenüber kosmischeweiten.de.
Die erste Testreihe begann im Sommer 2023 und endete mit einer letzten Testreihe im Dezember 2023. „Wir gehen davon aus, dass wir die Ursache in diesem Frühjahr finden werden“, erklärte das NASA-Büro.
Der Arc Jet Complex im Ames Research Center der NASA im Silicon Valley wurde genutzt, um unerwartete Probleme mit dem Hitzeschild zu untersuchen, die nach dem Flug der Orion-Kapsel Artemis 1 Ende 2022 festgestellt wurden. (Bildnachweis: NASA Ames Research Center)
Simulationsprüfung
Die Orion-Hitzeschildtests wurden im Laser Hardened Materials Evaluation Laboratory durchgeführt, einer einzigartigen Einrichtung, die von UES, einem BlueHalo-Unternehmen in Dayton, Ohio, betrieben und vom Air Force Research Laboratory verwaltet wird. In diesem Labor werden thermische Simulationstests durchgeführt, die mit Hochleistungslasern ausgestattet sind.
Die Tests wurden auch im Arc Jet Complex im Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley durchgeführt. Bei den Arc-Jet-Tests wird das Wärmeschutzmaterial mit einem Plasma behandelt, das die intensive Hitze imitiert, die beim Wiedereintritt der Orion-Kapsel in die Atmosphäre entsteht.
Lockheed Martin hat seinerseits gemeinsam mit der NASA ein Kernteam von Ingenieuren zusammengestellt, um die Ursache des Kohleverlustes zu untersuchen und zu verstehen, was getan werden muss, um ähnliche Vorfälle bei künftigen Flügen zu verhindern, sagte Blaine Brown, Direktor für mechanische Systeme des Orion-Raumschiffs bei dem Unternehmen.
„Im vergangenen Jahr war das Team von Lockheed Martin zusammen mit der NASA sehr mit der Herstellung von Testartikeln und der Unterstützung von Umwelttests beim Wiedereintritt in verschiedenen Testkammern der NASA und der Industrie beschäftigt“, so Brown gegenüber kosmischeweiten.de.
Diese Tests haben eine Fülle von Informationen für das Untersuchungsteam geliefert, sagte Brown. „Lockheed Martin hat auch analytisches Fachwissen zur Verfügung gestellt, um akzeptable thermische Margen zu demonstrieren, um die Fluggründe für die Artemis 2-Mission zu unterstützen.“
Schluckauf beim Hitzeschild
Letztes Jahr antwortete das Orion Programmbüro im Johnson Space Center der NASA in Houston auf eine kosmischeweiten.de-Anfrage zu Hitzeschild-Schluckauf.
„Wir haben erwartet, dass das Material bei den 2.760 Grad Celsius [5.000 Grad Fahrenheit] , auf die das Raumschiff beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre trifft, abbrennt und dass das Material durch eine chemische Reaktion verkohlt, aber wir haben nicht erwartet, dass die kleinen Stücke, die sich ablösten, nicht abgetragen werden“, erklärte das NASA-Büro.
Es blieb eine gesunde Marge an unberührter Avcoat übrig, und die Temperaturdaten in der Kabine blieben auf dem erwarteten Niveau, so dass die Besatzung, wenn sie an Bord gewesen wäre, nicht in Gefahr gewesen wäre, so die Erklärung des Programmbüros.
NASA sagte, dass eine spezielle Untersuchung geplante Tests, detaillierte Analysen, umfangreiche Proben des Hitzeschilds und die Überprüfung von Sensordaten umfasst, um zu beurteilen, was die Orion-Kapsel beim Wiedereintritt erlebt hat.
Ist es möglich, dass Änderungen am Avcoat erforderlich sind?
„Es ist noch zu früh in unseren Tests und Analysen, um zu möglichen Empfehlungen oder Lösungen zu kommen, die eine zusätzliche Befreiung von Verkohlungen ansprechen“, antwortete das NASA-Büro in seinem Kommuniqué 2023.
Es ist möglich, dass das Phänomen des Hitzeschilds von Artemis 1 nur diesem Hitzeschild eigen ist, sagte das Büro damals.
Außerdem könnte es das sein, was die NASA bei der Rückkehr der Kapsel vom Mond erwarten würde, „aber wir lassen uns von den Daten informieren“, sagte das Orion-Projektbüro und fügte hinzu, dass „unsere Teams die Gewissheit haben wollen, dass wir den bestmöglichen Hitzeschild haben, um in Zukunft Menschen zu fliegen.“
