NASA确信猎户座隔热罩不会再出问题

“阿尔忒弥斯2号”的隔热罩在肯尼迪航天中心接受检查，随后被安装在“猎户座”飞船底部，用于在绕月飞行后护送四名宇航员返回地球。该隔热罩的设计目的是保护飞船免受高达2760摄氏度的再入高温影响。

当“阿尔忒弥斯2号”任务的“猎户座”飞船完成绕月飞行返回地球时，它将以每小时约38,600公里的惊人速度，在太平洋上空约120公里处切入大气层。这个速度快到足以让它在不到10分钟内从纽约飞到伦敦。

几秒钟内，其5米宽的隔热罩表面温度将飙升至2760摄氏度——相当于太阳可见表面温度的一半。飞船在大气摩擦形成的带电火球中迅速减速。

船上的四名宇航员——“阿尔忒弥斯2号”指令长里德·怀斯曼（Reid Wiseman）、维克多·格洛弗（Victor Glover）、克里斯蒂娜·科赫（Christina Koch）和加拿大宇航员杰里米·汉森（Jeremy Hansen）——正寄希望于隔热罩，确保他们在穿越最危险的加热区域时安然无恙，并处于一个舒适的环境中，直至最终通过降落伞辅助溅落在太平洋。

“我们对这套系统、隔热罩、降落伞以及我们组建的回收系统充满信心，”美国国家航空航天局（NASA）副局长阿米特·克沙特里亚（Amit Kshatriya）周四表示。“工程学数据支持这一点，‘阿尔忒弥斯1号’的飞行数据支持这一点。我们所有的地面测试、分析也都支持这一点。明天，机组人员将用他们的生命为这份信心背书。”

尽管在2022年无人驾驶的“阿尔忒弥斯1号”试飞中，隔热罩出现了严重问题——构成隔热罩的Avcoat材料出现了内部裂纹和气袋，导致保护层的“碳化”层被吹走——但机组人员和任务管理人员表示，他们依然充满信心。

经过近两年的测试和分析，工程师们发现，损坏很可能是由Avcoat材料在再入的某个特定阶段缺乏渗透性造成的。当时，隔热罩外部温度较低，而内部层仍然极热，产生的气体无法排出。

NASA管理层已决定为后续的“阿尔忒弥斯”任务订购不同设计的隔热罩。但“阿尔忒弥斯2号”的隔热罩与“阿尔忒弥斯1号”使用的完全相同，并且已经安装完毕。更换新设计将使任务推迟18个月或更久。

因此，NASA管理人员决定“按原样”发射“阿尔忒弥斯2号”。这一决定基于测试数据和详尽的分析，这些分析表明，如果修改再入轨迹，消除导致“阿尔忒弥斯1号”损坏的温度和压力波动，隔热罩就能正常工作。

“他们做了大量的研究，在一些我们以前没用过的设施里进行了开创性的研究，并发现了根本原因，”怀斯曼说。

“他们进行了风洞测试、激光测试和高超音速测试，并确定，如果我们采用这种‘高抛式’再入剖面……那么这个隔热罩对我们来说是安全的。”

“所以我认为一切都指向好的方向，”他说。“我认为，如果你是一个即将登上这枚火箭的人，参加过我们参加过的会议，听过专家的意见，并和他们一起看过数据，你也会感到同样的安心。”

“阿尔忒弥斯1号”出了什么问题

在“阿尔忒弥斯1号”任务中，无人驾驶的飞船遵循了计划中的“跳跃式”轨迹，其概念类似于在水面上打水漂。飞船先是初次进入大气层，然后又弹回太空，最后才最终下降并溅落。

这种跳跃式再入有助于降低飞船速度，同时为NASA提供更广的溅落点选择范围，以防恶劣天气影响预定着陆点。

尽管“阿尔忒弥斯1号”的再入是成功的，飞船也精准着陆，官员们表示即使上面有宇航员也不会有任何问题，但隔热罩的损坏还是引起了NASA的警觉。

“NASA在‘猎户座’飞船回收后的检查中发现，其隔热罩的烧蚀热防护材料在再入地球大气层时，在超过100个位置出现了与预期不同的磨损，”NASA监察长办公室写道。

“虽然隔热罩在‘阿尔忒弥斯1号’任务中成功保护了乘员舱及其系统，但在检查后，工程师们注意到隔热罩Avcoat材料的外观出现了意料之外的变化——这是一种帮助飞船抵御再入高温的烧蚀材料。”

“具体来说，碳化层的部分磨损方式与NASA工程师预测的不同，它们发生开裂并以碎片形式从飞船上脱落，形成了一条碎片轨迹，而不是按设计那样融化掉。Avcoat材料的这种意外行为给未来任务的隔热罩带来了风险，它可能无法充分保护飞船系统和机组人员免受再入时的极端高温。”

测试表明，损坏与隔热罩的渗透性有关，或者更确切地说，是缺乏渗透性。

再入加热使得Avcoat外部的碳化层具有足够的渗透性，让气体得以排出。“阿尔忒弥斯1号”的隔热罩在初次进入大气层时工作正常。但当它弹回太空时，再入加热减弱，外部碳化层的渗透性大大降低。

底层材料仍然极热，正在进行一种名为“热解”（无氧燃烧）的过程，并产生无法排出的气体。这些积聚的气体最终吹走了隔热罩外层的碎片。

“它们从第一次再入后弹回，仍然很热，仍在释放气体，”一位熟悉该调查的工程师说。“材料本身渗透性不足的事实导致气体压力现在非常迅速地积聚，因为它们仍然很热。但碳化层已经停止了（渗透过程）。”

他说，外部的碳化层“是‘阿尔忒弥斯1号’和‘阿尔忒弥斯2号’隔热罩中唯一允许其‘呼吸’或释放气体的部分。所以一旦它停止，隔热罩更深层的部分就没有任何机制可以让气体排出。”

“所以压力积聚起来，当飞船再次下降并重新开始加热时，压力已经存在。所有的裂缝、气袋都已经形成。然后，砰，砰，砰，噗。Avcoat开始在第二次再入期间剥落。”

修改后的再入轨迹应能确保良好的隔热罩性能

工程师们通过实验室测试证实，一种改进的跳跃式再入轨迹——即初次进入大气层后，以更短的持续时间弹回——可以让Avcoat在整个过程中“呼吸”，防止裂缝和被困气体的形成。一个独立的审查小组也同意了这些结论。

有趣的是，阿波罗时代的工程师们已经意识到了Avcoat的渗透性问题，并相应地设计了该计划的隔热罩。阿波罗飞船也使用了跳跃式再入轨迹，并且没有出现问题。但“阿尔忒弥斯”隔热罩中使用的Avcoat配方略有调整，这最终影响了其渗透性。

无论如何，为“阿尔忒弥斯2号”修改再入轨迹的缺点是，它将减少“猎户座”飞船为避开预定溅落区恶劣天气而能飞行的距离。这也会导致下降过程中持续的热量更高，但工程师们表示，这正是维持外部碳化层渗透性并确保良好性能所需要的。

前宇航员查尔斯·卡马达（Charles Camarda）对此表示强烈反对，严厉批评了“按原样飞行”的决定。他认为，工程师们并未完全理解“阿尔忒弥斯1号”隔热罩损坏的根本原因，也无法准确预测“阿尔忒弥斯2号”隔热罩的性能，或者修订后的再入轨迹是否会产生意想不到的后果。

在给NASA局长的一封信中，卡马达写道：“历史表明，当组织说服自己理解了他们其实并不了解的问题时，事故就会发生。”

和怀斯曼一样，格洛弗表示他相信对“阿尔忒弥斯1号”问题的分析，他说批评者“没有从第一天起就参加这些会议，没有见过团队，没有和他们握手，没有在会议结束时看着他们的眼睛。”

不过，他补充说：“我不想贬低他们所说的话。任何时候你谈论火，谈论再入和隔热罩，谈论降落伞，这些都是高风险的事情……没有内置的容错能力。它们必须成功。”

“所以我感谢他们所有的推动、刺探和督促。他们让我们更加严谨，投入了更多的尽职调查和警惕。但我认为我们已经做到了。所以我认为机组人员因此感到安心。”