Astronauter lander med varmeskjold som gikk i stykker på forrige tur

TU gjør oppmerksom på at denne saken ble publisert før romkapselen med de fire astronautene natt til lørdag landet trygt i Stillehavet med alle om bord i god behold.

Det er særlig ett øyeblikk i månereisen 2.0 mange ser frem mot med spenning. Et spesielt øyeblikk som nok vil få ingeniører, romfartsnerder og folk fra Nasa til å kjenne at hjertet slår litt fortere: Møtet med atmosfæren.

Fredag kveld vil et menneskeskapt stjerneskudd være synlig på himmelen over USA. Fire astronauter er fastspent forrerst i stjerneskuddet. Og de vil trolig sende en stille bønn om at Nasa har rett når de sier at alt er bra ... nok.

– For øyeblikket er alt ganske stille og fredelig. Kapselen har det bra og beveger seg rolig gjennom rommet på reisen sin. Men alt dette endrer seg drastisk når jorden nærmer seg, sier René Fléron, sivilingeniør og prosjektleder ved DTU Space på Danmarks Tekniske Universitet.

Møtet med atmosfæren skjer i 40.000 km/t, som er betydelig høyere enn når for eksempel Dragon og Soyuz kommer hjem fra den internasjonale romstasjonen. Grunnen er at kapselen kommer helt fra månen og derfor oppnår en høyere hastighet – nøyaktig 13.000 km/t raskere enn de andre. Dette betyr at Orions varmeskjold fra selskapet Lockheed Martin må håndtere temperaturer på opptil 3000 grader celsius.

Og sist gang gikk det ikke helt etter planen.

– Som et spøkelse

Da det ubemannede Artemis 1-oppdraget kom tilbake sent i 2022, oppdaget Nasa at store biter av epoxybelegget på undersiden av varmeskjoldet hadde løsnet. Det sendte frysninger gjennom romfartsmiljøet da bilder av det ramponerte varmeskjoldet ble publisert og minnet om ulykken med romfergen Columbia, hvor det nettopp var et skadet varmeskjold som førte til at syv astronauter døde.

– Columbia-ulykken er et spøkelse som henger over Nasa, og de vil gjøre alt for å unngå et lignende scenario, sier Fléron.

Derfor har Nasa og Lockheed Martin også brukt utallige timer på å teste varmeskjoldet i høytemperaturkamre og vindtunneler, og de har endt opp med en noe overraskende avgjørelse.

Nasa har valgt å fly med nøyaktig samme kapsel og varmeskjold, men har endret ruten ned gjennom atmosfæren en anelse, slik at den går brattere og raskere ned, men blir utsatt for mer ekstrem varme og stress.

Det har sin forklaring.

Gassproblem

Varmeskjoldets epoxybelegg, kalt Avcoat, har problemer med å frigjøre gasser ved oppvarming og danner i stedet en ugjennomtrengelig overflate. Dette har som konsekvens at gasser samler seg under overflaten og fører til at biter rives av, i stedet for den tiltenkte ablasjonen – som betyr at belegget sakte og jevnt brennes av.

Nasa har allerede funnet en løsning på problemet i form av en ny epoxyblanding, der overflaten er gjennomtrengelig og avgassing kan forekomme. Men Nasa klarte ikke å «smøre» det belegget på Artemis II-kapselen. Kun kapselen til Artemis III.

Nasa kunne ha kastet Artemis II-kapselen, men da ville de risikert å forsinke hele måneferden med over ett år. I stedet valgte de å endre turen ned gjennom atmosfæren slik at kapselen tilbringer kortere tid i det varmeste området.

Artemis I var i det varmeste området under nedstigningen fra 122.000 fot til 30.000 fot i 14 minutter og brukte en mye omtalt «swipe»-manøver, der kapselen så å si hoppet over atmosfæren.

Dette tillot astronautene å lande kapselen mer presist i et spesifikt område av havet utenfor San Diego. Men argumentene for den manøveren var også at den ville unngå overdreven varme og redusere belastningen på kapselen.

Med Artemis II vil nedstigningen fra 122.000 til 30.000 fot bli forkortet til bare åtte minutter. Dette vil øke temperaturen ytterligere, men i kortere tid, og tester har vist at det drastisk vil redusere skadene på varmeskjoldet.

– Det er litt gjetting

René Fléron kan følge Nasas logikk, men savner tall, data og baneprofiler for å gjøre mer detaljerte beregninger.

– Det er vanskelig å vurdere om Nasa har løst problemet med denne nye manøveren. Ved første øyekast kan det være en god idé, dersom de har oppdaget at varmen ikke når like langt inn i materialet hvis de bare suser gjennom atmosfæren. Men det er litt gjetting når det ikke finnes dokumentasjon, sier han.

Fléron har tidligere advart om at Nasa ville bli kritisert for å gamble med astronauters liv hvis det viser seg at biter av kapselen faller av igjen. Og det har også vært kritikk blant Nasas egne ansatte før Artemis II-oppdraget. Blant annet fra astronautene Charles Camarda og Danny Olivas, som også er eksperter på design av varmeskjold.

Charles Camarda har kalt bruken av Artemis II-kapselen for å spille «russisk rulett» med astronauters liv og advarer om at varmeskjoldet har et strukturelt problem, fordi det i dag har blitt satt sammen som et slags puslespill.

Å bruke Avcoat til varmeskjold er nemlig slett ikke nytt. Det ble brukt på Apollo-oppdragene med stor suksess, men den gang ble det «smurt» på kapslene under en langsom prosess, hvor det ble fylt i en glassfiberstruktur med 300.000 små, sekskantede hulrom. Ingeniørene fikk i oppgave å fylle hvert av dem med en fugepistol med trykkluft.

I dag har Lockheed Martin effektivisert designet ved å lage 186 blokker med Avcoat, som er limt til Orions titan-underside. Men dette betyr at store blokker kan rives av, advarer Camarda.

Samlet kritikerne

Nasa har lyttet til kritikken mot håndteringen av problemene med varmeskjoldet og har derfor fått et uavhengig ekspertteam til å gjennomgå Nasas studier av varmeskjoldproblemene. Deretter holdt Nasa en pressekonferanse og publiserte rapporten, men mange detaljer viste seg å være utelatt fra den offentlige versjonen. Det førte til fornyet kritikk av manglende åpenhet.

Dette fikk den nyutnevnte Nasa-administratoren Jared Isaacmann til å innkalle til et spesielt møte. Han samlet rett og slett de mest fremtredende kritikerne, Nasas egne folk og journalister fra The Wall Street Journal og teknologinettstedet Ars Technica.

Ifølge journalist Eric Berger i Ars Technica var det rikelig anledning til å stille spørsmål, og Nasa prøvde å være så åpne om sin beslutning som mulig. Og én detalj fra møtet overbeviste spesielt flere kritikere om at Nasa faktisk hadde ganske god kontroll på sikkerhet:

– Den sannsynligvis mest interessante avsløringen var det Nasa-ingeniører kaller «hva om vi tok feil»-testen», skriver han i Ars Technica.

Spørsmålet var hva som ville skje hvis svært store deler av varmeskjoldet falt helt av og utsatte Orions indre titanstruktur for høy varme – et slags verst tenkelig scenario.

Under den testen utsatte Nasa en titanstruktur for høy varme i opptil ti minutter. Konklusjonen var at astronautene ville overleve.

Danny Olivas, som fløy romfergen i 2007 og 2009, hadde fortalt Berger før møtet at han ikke ville sitte i Artemis II-kapselen. Etter møtet med Nasa-folkene ombestemte han seg.

Den andre tidligere romfergeastronauten som var med på møtet, Charles Camarda, var fortsatt ikke helt overbevist om at det var trygt å fly i Artemis II.

Men avgjørelsen er tatt. Og nå seiler fire astronauter gjennom rommet på vei til jorden. Snart vil kapselen vende varmeskjoldet mot atmosfæren. Og da må den bestå testen sin.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig for TUs abonnenter gjennom vår samarbeidsavtale.