Kosmické lety s posádkou jsou ze své podstaty odvážné a ani kampaň Artemis není výjimkou. Bezpečný pilotovaný let Artemis II k Měsíci a zpět provází řada jedinečných výzev a rizik, kterým NASA nečelila od éry Apolla. Zkušební nepilotovaný let Artemis I z listopadu a prosince 2022 byl významným úspěchem, protože přinesl důležitá data a poučení z testování hardwaru, softwaru a procesů, které jsou využívány při přípravě na další misi. Artemis I byla navržena jako nepilotovaný test určený k identifikaci problémů, které by se mohly vyskytnout a které modelování nebo pozemní testování nemohlo předvídat. NASA očekávala, že vzniklé problémy vyřeší před misí Artemis II. Tento proces hledání a řešení technických problémů je přirozenou součástí procesu návrhu, testu a následných oprav chyb s cílem maximalizovat pravděpodobnost úspěchu dalšího letu.

Díra v Avcoatu v tepelném štítu Orionu
Zdroj: https://images.foxweather.com

Zkušební let Artemis I skutečně odhalil technické problémy, které je nutno vyřešit před misí Artemis II, aby astronauti nebyli vystaveni jakémukoli nepřiměřenému riziku. Jde zejména o anomálie s tepelným štítem Orionu a separačními šrouby, které představují značné riziko pro bezpečnost posádky. NASA identifikovala více než sto míst, v nichž se ablativní tepelný ochranný materiál Avcoat z tepelného štítu opotřebovával během vstupu do zemské atmosféry jinak, než jak se očekávalo.

Ablace neboli odstranění zuhelnatělých vrstev Avcoatu v důsledku tření o atmosféru měla podle očekávání probíhat jejich odtavením. Během první fáze manévru skip entry, který rozděloval sestup na dvě části, však Avcoat začal praskat a odtrhávat se po kusech.

Separační šrouby se během návratu z mise Artemis I tavily a erodovaly
Zdroj: https://whnt.com

Test tepelného štítu byl klíčovým cílem letu Artemis I. Nyní je největším úkolem identifikace a zmírnění hlavní příčiny eroze tepelného štítu a tavení separačních šroubů během návratu do atmosféry Země. Inženýři proto zkoumají možnosti, jak zmírnit ztrátu materiálu změnou návratové trajektorie Orionu nebo úpravou tepelného štítu.

Tepelný štít Orionu pro test EFT-1 v prosinci 2014 byl konstruován stejným způsobem jako u Apolla – byl monolitický. Ještě před startem EFT-1 však velký monolitický tepelný štít z Avcoatu vykazoval tendenci praskat. Ukázalo se, že monolitický štít byl vhodný pro Apollo, ale ne pro větší Orion. Praskliny v tepelném štítu pro EFT-1 byly opraveny a letový test, při němž Orion vstoupil do atmosféry rychlostí 8,9 km/s, byl úspěšný. Způsob ablace byl velmi podobný jako u Apolla včetně ostře ohraničených hran u míst, v nichž se zuhelnatělá vrstva Avcoatu odlupovala. Problém s praskáním znepokojoval NASA do té míry, že pro další mise bylo rozhodnuto o tepelném štítu s přilepenými bloky Avcoatu.

Tepelný štít Orionu obsahuje 186 bloků z Avcoatu. Skrz štít vedou čtyři separační šrouby. Podrobněji v našem článku.
Zdroj: https://encrypted-tbn0.gstatic.com

Velký segmentový tepelný štít z Avcoatu letěl poprvé při misi Artemis I, během které Orion vstoupil do atmosféry rychlostí téměř 11,2 km/s. Vzhledem k návratu od Měsíce byla rychlost Orionu asi o 40 % vyšší, než jaké čelí kosmické lodě při návratu z Mezinárodní kosmické stanice. Během sestupu byl tepelný štít vystaven teplotám přibližně 2 750 °C.

K veřejnosti se první informace dostaly z brífinku 7. března 2023. Programový manažer Orionu v NASA Howard Hu tehdy řekl, že největší problém během letu byl s tepelným štítem kabiny pro posádku, z něhož se materiál uvolňoval jinak, než jak inženýři očekávali na základě pozemních testů a počítačových modelů. Hu také řekl, že to pro Orion nepředstavovalo bezpečnostní riziko, protože na tepelném štítu zůstalo značné množství rezervy nedotčeného Avcoatu, který úspěšně ochránil kabinu a její systémy. Inženýři v té době zahájili podrobnou analýzu tepelného štítu, aby zjistili, proč se choval jinak.

Přestože Orion bezpečně přistál, neočekávané chování Avcoatu je potenciálním rizikem pro budoucí mise, při nichž by tepelný štít nemusel dostatečně ochránit posádku a systémy kabiny před extrémním žárem. NASA se proto rozhodla porozumět hlavní příčině odtržení kusů Avcoatu.

Tepelný štít Apolla 16
Zdroj: https://pbs.twimg.com

V loňském a letošním roce bylo provedeno rozsáhlé testování panelů z bloků Avcoatu. Při pozemních testech vykazovala ztráta zuhelnatělých kusů stejné rysy, jaké byly pozorovány na štítu z mise Artemis I. V současné době tým dokončuje přenos výsledků testů do teorie hlavní příčiny eroze. V květnu 2024 by měly proběhnout formální prezentace na technických fórech v rámci přípravy doporučení Radě pro kontrolu programu Orion.

Doporučení má popisovat hlavní příčinu eroze, provozní schopnosti tepelného štítu pro misi Artemis II, založené na nejnovější práci s tepelnou analýzou, a nutná nápravná opatření. V současnosti se předpokládá, že mezi opatřeními pro zmírnění ztráty Avcoatu bude změna návratové trajektorie, případně úprava konstrukce tepelného štítu. Doporučení bude následně přezkoumáno nezávislým kontrolním týmem. Předpokládané datum dokončení analýzy a plánu dalšího postupu je do 30. června 2024.

Poletové kontroly také odhalily, že u tří separačních šroubů se při erozi tepelného štítu vytvořily spáry, v jejichž důsledku došlo ke zvýšenému zahřívání vnitřků šroubů a k jejich tavení. Modul pro posádku má celkem čtyři separační šrouby. Tyto šrouby pevně spojují modul pro posádku se servisním modulem. Teprve před vstupem do atmosféry dochází k oddělení servisního modulu. Ten následně shoří v atmosféře.

Tepelný štít Orionu EFT-1
Zdroj: https://media.al.com/

Roztavení separačních šroubů by mohlo vést k vniknutí horkých plynů za vrstvu Avcoatu a k překročení konstrukčních limitů Orionu. Separační šrouby jsou sice obklopeny bloky tepelné ochrany z Avcoatu a utěsněny tepelnou ochrannou výplní, ale aby se zmírnil problém pro Artemis II, byly provedeny drobné úpravy konstrukce separačních šroubů a kolem nich byl přidán dodatečný tepelně ochranný materiál. Šrouby byly na Orion pro Artemis II instalovány v září 2023. Možné změny návratové trajektorie mise Artemis II, které NASA posuzuje v zájmu zamezení ztrát Avcoatu, jsou posuzovány také se zohledněním zamezení zahřívání šroubů. Pro pozdější mise plánuje agentura přepracovat konstrukci šroubů.

V současnosti probíhají další testy a analýzy separačních šroubů Orionu pomocí aktualizovaných modelů, založených na zjištěních vyšetřovacího týmu tepelného štítu. NASA ale nemůže konečné hodnocení šroubů dokončit, dokud nedokončí hodnocení ztráty Avcoatu a nezaktualizuje tepelný model, zohledňující celý rozsah konstrukčních a provozních změn. Práce je však na dobré cestě k plánovanému datu dokončení 30. června 2024.

Na schůzi výboru Poradní rady NASA pro pilotovaný průzkum a provoz dne 26. dubna 2024 řekl Amit Kshatriya, zástupce přidruženého administrátora programu Moon to Mars, že pochopení chování tepelného štítu je nejvyšší prioritou pro snížení rizik mise Artemis II.

Tepelný štít pro misi Artemis I během přípravy
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Důraz je podle něj kladen na pochopení základních fyzikálních vlastností materiálu tepelného štítu a procesu uvolňování Avcoatu během návratu. „Blížíme se ke konečné odpovědi, pokud jde o tuto příčinu“, řekl. Zdůraznil také, že jsou analyzovány potenciální změny v návratové trajektorii, aby se změnilo tepelné zatížení kabiny. „Když to všechno spojíme, buď budeme mít zdůvodnění pro let, nebo nebudeme“, uzavřel.

Zdůvodnění pro let by znamenalo pokračování v přípravách s termínem startu v září 2025. Pokud by však byl tepelný štít vyhodnocen jako příliš rizikový pro let, byl by termín startu odložen. Byly by vyrobeny a certifikovány modifikace štítu. Servisní modul by byl odpojen, tepelný štít včetně separačních šroubů deinstalován, upraven, opětovně instalován a Orion poté znovu testován.

Tepelný štít lodi Orion pro misi Artemis II
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

NASA plánuje misi Artemis II jako desetidenní let s obletem Měsíce. Po provedení 23,5hodinové kontroly systémů kosmické lodi na vysoké oběžné dráze Země se má Orion vydat na trajektorii, po které obletí Měsíc za jeho odvrácenou stranou a poté se má vrátit zpět na Zemi. S posádkou na palubě plánuje NASA vyhodnotit kritické systémy pro podporu života. Posádka má také vyzkoušet manuální řízení letu a polohy Orionu při přibližování k jinému objektu reprezentovanému horním stupněm ICPS.

O stažení posádky z mise Artemis II se v současné době nehovoří. Osobně se domnívám, že takový krok by byl poněkud překvapivý. Kosmických lodí Orion a nosných raket SLS nemá NASA nazbyt. Časově náročná modifikace tepelného štítu pro Artemis II a přesun posádky do třetí mise v podmínkách nedávného snížení stavu zaměstnanců Boeingu, pracujících na SLS, by pravděpodobně vedly k odkladu data přistání na Měsíci při čtvrté misi až na dobu kolem roku 2030. A dostat své astronauty na Měsíc do roku 2030 je i cílem Číny.

Zdroj informací:
https://oig.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://images.foxweather.com/…/content/uploads/2024/05/668/376/heat2.png
https://images.foxweather.com/…/content/uploads/2024/05/668/376/heat.png
https://whnt.com/wp-content/uploads/sites/20/2024/05/Separation-bolt-melting.png
https://encrypted-tbn0.gstatic.com/…CAU
https://pbs.twimg.com/media/GMilG20W4AAI-fW?format=jpg
https://media.al.com/alphotos/photo/2015/03/10/larry-gagliano-f1d62943aa99b78e.jpg
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2022/08/ksc-20200702-ph-ilw01_0039.jpeg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e2/Artemis_II_Heat_Shield.jpg