月球再入詳解：阿耳忒彌斯2號任務

發射火箭是令人震撼的。 飛越月球是歷史性的。 但阿耳忒弥斯二號任務中最危險的部分，並不是這兩者中的任何一個。 它回來了。 當奧里翁號太空艙進入地球大氣層時， 它將以大約每小時25,000英里的速度行進。 這是馬赫數32。 它前方的空氣會被壓縮得如此劇烈，以致於變成電漿。 將太空船外表面加熱至超過5000華氏度。 在接下來的幾分鐘內，地面人員將無法與船員聯繫。 而唯一阻擋四名太空人與那場地獄烈焰之間的，便是…… 是一面每個人都知道有問題的防熱盾。 這是將人類從月球帶回的工程故事。 為什麼這次再入大氣層比阿波羅計劃以來的任何一次都更加重要？ 要理解這為什麼如此困難， 你需要理解月球返回與我們平常在太空中的做法有多麼不同。 國際太空站繞行於地球上方約250英里處。 從國際空間站返回的航天器以約每小時17,500英里的速度進入大氣層。 這已經快得驚人了。 但這是一個已知的數量。 我們已經這樣做多年了。 從月球返回是一個根本不同的問題。 獵戶座太空艙將以每小時約25,000英里的速度前進， 比國際太空站返航的航天器快約40%。 這意味著太空船必須耗散的能量大約是原來的兩倍。 所有額外的能量都會轉化為熱能。 而且來得迅速。 觸及上層大氣幾分鐘內， 防熱盾表面的溫度將超過華氏5,000度。 幾乎是太陽表面溫度的一半。 在這些溫度下，空氣本身會電離成電漿。 在太空艙周圍形成一個超熱的保護層，阻擋所有無線電信號。 任務控制中心突然靜音。 船員們沉默了。 好幾分鐘內，沒有人知道裡面發生了什麼事。 這就是為什麼任何專為低地球軌道設計的太空船都無法直接送往月球並返回。 熱環境屬於完全不同的類別。 這也是為什麼獵戶座飛船的防熱盾是為載人航天器建造的史上最大型燒蝕式防熱盾 stackoverflow 直徑16.5英尺，專為此問題設計。 奧里翁號的防熱盾覆蓋著一種稱為AV塗層的材料。 這是一種脫離性材料， 意思是它被設計成以受控的方式碳化並逐漸腐蝕。 將熱量帶離太空船，而不是讓熱量進入乘員艙。 與阿波羅指揮艙所使用的材料屬同一類型。 雖然製造過程有了顯著的改變。 在阿波羅計劃期間，技術人員用手填滿了超過三十萬個單獨的蜂窩狀細胞，填入了AV塗層。 一個持續了數個月的過程。 對於阿耳忒彌斯計劃，洛克希德·馬丁公司改用186個預加工塊體。 結合於太空艙的鈦金屬骨架上。 更快，更高效。 而且它應該以相同的方式運作。 沒有。 當獵戶座太空艙於2022年完成無人載人阿耳忒彌斯-1任務返航時， 檢查發現超過100個地點受損。 AV塗層並未平滑磨損，而是出現了裂紋，大塊塗層已經剝落。 一種稱為飛濺作用的過程。 原因是什麼？ 經過兩年的調查以及超過一百二十項獨立測試後， AV外套墊並非足夠多孔。 在再入大氣層期間，材料內部產生了氣體，但無法逸出。 壓力在表面下不斷累積，直到某些部分突然迸裂脫落。 各區塊之間的界線與損壞最嚴重的區域相吻合。 現在來到關鍵部分。 當工程師們理解到根本原因時， 阿耳忒弥斯-2號的太空艙已經建造完成。 熱盾已經安裝完畢。 取代它將意味著額外延遲數年。 美國國家航空暨太空總署有兩個選擇。 等待並重建。 或者使用現有的護盾飛行，並將任務改為降低風險。 他們選擇了飛翔。 但他們改變了獵戶號返航的方式。 在阿耳忒弥斯-1任務中，獵戶座飛船使用了一種稱為「打水漂式再入」的技術。 太空艙俯衝進入上層大氣層， 利用空氣動力學升力短暫地彈回上方， 隨即再次俯衝，進行最後的下降。 這是一種優雅的技巧， 首次於1969年由蘇聯探測器使用， 這能延長太空艙飛行的範圍，以精確降落在指定地點。 但這正是導致防熱盾問題的原因。 在跳過階段期間， 當太空艙短暫離開大氣層時， 加熱速率下降了。 那聽起來不錯。 但它實際上導致熱能積聚在AV外套內部 未能形成足夠的通道以排出氣體。 壓力不斷增加。 碎片掉了下來。 阿耳忒弥斯-2號 美國國家航空暨太空總署將完整的跳躍式再入改為稱作「高彈道再入」的方式。 一個短得多、溫和得多的版本 避免了導致阿提米絲-1 號氣體積聚的長時間冷卻階段。 這個決定帶來了真正的取捨。 跳過再入為任務規劃人員提供了更大的靈活性 在選擇獵戶座艙段著陸地點時。 沒有它，著陸區域會受到更多限制。 他們可用的範圍較小。 它還將可用的發射窗口縮小了大約百分之五十。 這也是阿耳忒弥斯2號任務 striving 起飛如此困難的原因之一。 但更陡峭的輪廓能維持加熱模式 在一個工程師信心極高的體制中 AV外套會有可預測的表現。 美國國家航空暨太空總署在全國各地的設施中進行了超過一百次額外測試。 這是首次出現此特定檔案 將以月球返航速度飛行，並載有乘客。 再入大氣層才是真正的考驗。 讓我們詳細說明再入大氣層時究竟發生了什麼。 因為這是一連串令人驚嘆的工程成就。 它在俄里翁號進入大氣層前數小時便已開始。 船員利用船載推進器執行最後的軌道修正燃燒。 微調以確保太空艙以完全正確的角度進入大氣層。 太淺了，而且直接飛向了太空。 坡度太陡，減速時的力可能會造成危險。 在距離地球約四十萬英尺的高空，歐洲服務模組分離(CONTINUED) 它已經完成任務了。 推進、動力、生命支援，為這段旅程所需。 而且它無法承受再入大氣層。 它燃燒殆盡。 從此刻起，船員將獨自待在太空艙內。 隨後，防熱盾開始發揮作用。 當獵戶座深入時，空氣被壓縮並加熱。 防熱護盾外套開始碳化並燒蝕，ouri而按設計逐漸燒毀。 攜帶熱能，而非將其傳導至客艙內。 在阿耳忒弥斯1號任務中，即使出現了意外損傷， 機艙溫度保持在華氏70多度。 系統運作正常。 問題在於，這種材料在新的、更陡峭的輪廓下，表現得有多麼乾淨利落。 在峰值加熱時，等離子體鞘層會包圍在目標囊週圍。 無線電信號無法穿透電離氣體。 通訊完全中斷，無論對船員還是任務控制中心都是如此。 每個人都在等待。 在再入過程中最陡峭的階段，乘組人員將承受高達3.9G的過載。 幾乎是他們自身體重四倍的重量將他們壓在座位上。 隨著太空艙下降並減速，等離子體消散，通訊也隨之恢復。 但獵戶座仍以大約每小時325英里的速度前進，遠快於安全著陸的範圍。 這裡就是降落傘系統接手的地方。 大約在兩萬五千英尺的高度，前部彈艙蓋被拋棄。 三個小型降落傘將其從太空艙中拉出。 隨後，兩個誘導傘展開，每個直徑約為23英尺。 他們的工作是穩定太空艙並使其減速至約每小時100英里。 接著，三個引導傘彈出，每個都拉出一個巨大的主傘。 它們體型龐大，直徑達116英尺，每個重達310磅，由凱夫拉與尼龍的混合材質製成。 三個主傘共同作用，將太空艙的速度從每小時100英里減至約每小時17英里。 從前艙蓋釋放至主傘完全展開的整個傘降程序 大約需要10分鐘。 總共11個降落傘。 該系統設計為即使一個主降落傘完全失效，也能安全著陸。 著陸預定於聖地牙哥外的太平洋海域。 海軍潛水員將從約翰·P·默薩號巡洋艦上待命。 正如阿耳忒弥斯二号任务飞行主管杰夫·拉迪根所言， 這是13分鐘的時間，所有事情都必須順利進行。 大多數報導不會告訴你的事。 著陸後的防熱盾狀況，幾乎與著陸本身一樣重要。 船員撤离後，獵戶座艙段將由海軍回收。 並運回肯尼迪航天中心。 工程師將拆除熱盾並仔細檢查其每一寸表面， 逐一標記每一條裂縫、每一個字元圖樣，以及所有材料損失的區域。 他們會將其與自己的模型以及阿耳忒彌斯一號任務的損傷情況進行對比。 如果更陡峭的入射剖面如預期般發揮作用，則會產生最少的剝落現象，並實現可控的燒蝕。 這驗證了美國國家航空暨太空總署的策略，並為阿耳忒彌斯三號任務掃清了前進的道路。 已經投入生產一款重新設計、更具滲透性的AV塗層。 該計劃保持在正軌上。 如果防熱盾再次出現預料之外的損傷， 即使船員安全無恙，這也引發了嚴重的疑問。 不僅僅是關於實體材料，更在於這些模型是否值得信賴。 船員可以安全返航，而熱盾仍能講述一個令人擔憂的故事。 正是這個延遲的裁決，讓這次重返變得獨一無二。 這不僅僅是任務的結束。 這正是阿耳忒弥斯計畫三年來所期盼的答覆的開端。 登月才是重點。 回家才是工程。 當獵戶座抵達大氣層時，會展開一塊直徑16英尺的燒蝕材料圓盤與11個降落傘。 將是阻隔四人與太平洋之間的唯一事物。 如果一切按預期運作，大多數人幾乎不會察覺。 這正是優秀工程的標誌，當最困難的部分看起來輕而易舉時。 但現在你將完全明白其中所需的付出。