Ils identifient la cause du problème rencontré par le vaisseau spatial Orion lors de la mission Artemis 1

Après des analyses et des tests approfondis, l’agence spatiale américaine (NASA) a identifié la cause technique de la perte inattendue de matériel dans le bouclier thermique du vaisseau spatial Orion lors de la mission Artemis 1, en novembre 2022.

Les ingénieurs ont déterminé qu’au retour d’Orion de sa mission sans équipage autour de la Lune, les gaz générés dans le matériau ablatif externe du bouclier thermique, appelé Avcoat, ne pouvaient pas être évacués et dissipés comme prévu. Cela a permis à la pression de s’accumuler et à des fissures de se produire, provoquant la rupture d’une partie du matériau à plusieurs endroits.

Pour le savoir, les chercheurs ont examiné méthodiquement de nombreux éléments : ils ont effectué un échantillonnage détaillé du bouclier thermique, examiné les images enregistrées et analysé les données des capteurs du vaisseau spatial. De plus, ils ont procédé à des tests et analyses exhaustifs sur le terrain.

Au cours de la mission Artemis 1, les ingénieurs ont utilisé la technique de guidage de double rentrée atmosphérique pour le retour d’Orion sur Terre. Cette technique offre plus de flexibilité en étendant le rayon d’action d’Orion après le point de rentrée pour l’emmener vers un site d’atterrissage dans l’océan Pacifique. Avec cette manœuvre, Orion a plongé dans la partie supérieure de l’atmosphère terrestre et a utilisé la traînée atmosphérique pour réduire sa vitesse. Orion a ensuite utilisé la portance aérodynamique de la capsule pour rebondir hors de l’atmosphère, puis réintégrer la descente finale en parachute pour l’amerrissage.

En utilisant les données de la réponse du matériau Avcoat lors de la mission Artemis 1, l’équipe de recherche a pu simuler l’environnement de la trajectoire d’entrée du vaisseau spatial (un élément clé pour comprendre la cause du problème) au sein des installations du centre de recherche Ames de la NASA. Californie, États-Unis. Ils ont observé que, pendant la période entre les plongées atmosphériques, les taux de chauffage ralentissaient et l’énergie thermique s’accumulait dans le matériau Avcoat du bouclier thermique. Cela a conduit à l’accumulation de gaz qui font partie du processus d’ablation (port) prévu. Parce qu’Avcoat n’avait pas de « perméabilité », la pression interne s’est accumulée et a provoqué des fissures et un pelage inégal de la couche externe.

Les techniciens ont effectué des tests au sol approfondis pour simuler le phénomène de rebond de rentrée avant la mission Artemis 1. Cependant, ils ont effectué des tests à des taux de chauffage beaucoup plus élevés que ceux rencontrés par le vaisseau spatial pendant son vol. Les vitesses de chauffage élevées testées sur terre ont permis au matériau perméable de se former et de s’user comme prévu, libérant ainsi la pression du gaz. L’échauffement moins sévère observé lors de la rentrée proprement dite du vaisseau spatial a ralenti le processus de formation de matière, tout en continuant à créer des gaz dans cette couche de matière. La pression du gaz s’est accumulée au point de fissurer l’Avcoat et de libérer des parties de la couche affectée.

Alors que l’engin de la mission Artemis 1 était sans pilote, les données de vol ont montré que si l’équipage avait été à bord, il aurait été en sécurité. Les données de température provenant des systèmes du module d’équipage à l’intérieur de la cabine étaient également dans les limites et sont restées stables, avec des températures autour de 24 degrés Celsius. Les performances du bouclier thermique ont dépassé les attentes.

Les ingénieurs comprennent à la fois le phénomène matériel et l’environnement avec lequel les matériaux interagissent lors de leur entrée dans l’atmosphère. En modifiant le matériau ou l’environnement, ils peuvent prédire la réaction du vaisseau spatial. Les techniciens de la NASA ont convenu à l’unanimité que l’agence peut développer une analyse de vol acceptable qui assurera la sécurité de l’équipage en utilisant le bouclier thermique actuel de la mission Artemis 2 avec des changements opérationnels pour l’entrée dans l’atmosphère.

La Lune et une partie de la sonde spatiale Orion, photographiées par une caméra installée sur l’un des panneaux solaires de la sonde spatiale le neuvième jour de la mission Artemis 1 (Photo : NASA)

Le processus de recherche de la NASA

Peu de temps après que les ingénieurs de la NASA ont découvert les conditions du bouclier thermique, l’agence a lancé un processus d’enquête approfondi, qui comprenait une équipe multidisciplinaire d’experts en systèmes de protection thermique, aérothermodynamique, tests et analyses thermiques, analyse des contraintes (fatigue des matériaux), tests et analyses des matériaux. , et de nombreux autres domaines techniques connexes. Le centre d’ingénierie et de sécurité de la NASA a également participé pour fournir une expertise technique, notamment une évaluation non destructive, une analyse thermique et structurelle, une analyse d’arbre de défaillances et d’autres méthodes de support aux tests.

Le bouclier thermique de la mission Artemis 1 était lourdement instrumenté pour ce vol, notamment des capteurs de pression, des extensomètres et des thermocouples à différentes profondeurs du matériau ablatif. Les données de ces instruments ont amélioré l’analyse des échantillons physiques, permettant à l’équipe de valider des modèles informatiques, de créer des reconstructions environnementales, de fournir des profils de température internes et de fournir des informations sur le moment de la perte de matière.

Environ 200 échantillons d’Avcoat ont été retirés du bouclier thermique du Marshall Space Flight Center de la NASA en Alabama pour analyse et inspection. L’équipe a mené une évaluation non destructive pour « voir » l’intérieur du bouclier thermique.

L’une des découvertes les plus importantes de l’examen de ces échantillons était que certaines surfaces de la zone perméable Avcoat, identifiées avant le vol, ne présentaient ni fissures ni pertes de matériaux. Étant donné que ces surfaces étaient perméables au début de l’entrée dans l’atmosphère, les gaz produits par l’ablation pouvaient être correctement évacués, éliminant ainsi l’accumulation de pression, les fissures et la perte de charbon.

Les ingénieurs ont mené huit campagnes d’essais thermiques après vol distinctes pour appuyer l’analyse de l’origine de ces conditions, réalisant 121 tests individuels. Ces tests ont été effectués dans des installations situées à différents endroits aux États-Unis qui disposent notamment de capacités uniques.

Au printemps 2024, la NASA a créé une équipe d’examen indépendante qui a mené un examen complet du processus de recherche, des conclusions et des résultats de l’agence. L’examen indépendant a été dirigé par Paul Hill, un ancien responsable de la NASA qui a été directeur principal des vols de la navette spatiale pour le programme Return to Flight après l’accident de Columbia, qui a également dirigé la direction des opérations de la navette spatiale et est actuellement membre de la. Comité consultatif sur la sécurité aérospatiale de l’agence. L’examen a été mené sur une période de trois mois pour évaluer les conditions du bouclier thermique après le vol, les données sur l’environnement d’entrée atmosphérique, la réponse thermique du matériau ablatif et la progression du POT. L’équipe d’examen a souscrit aux conclusions de la NASA sur la cause technique du comportement physique du bouclier thermique.

Avancées en matière de bouclier thermique

Sachant que la perméabilité d’Avcoat est un paramètre clé pour éviter ou minimiser les pertes de matière, la NASA dispose des informations nécessaires pour assurer la sécurité de l’équipage et améliorer les performances des futurs boucliers thermiques du programme Artemis. Tout au long de son histoire, la NASA a appris de chacun de ses vols et a apporté des améliorations au matériel et aux opérations. Les données collectées tout au long du vol d’essai de la mission Artemis 1 ont fourni aux ingénieurs des informations inestimables pour guider les conceptions et les améliorations futures. Les données de performances du vol de retour lunaire et un solide programme de qualification d’essais au sol, amélioré après l’expérience de la mission Artemis 1, soutiennent les améliorations de la production de bouclier thermique d’Orion. Les futurs boucliers thermiques pour les missions d’atterrissage lunaire Artemis de retour d’Orion sont en production pour obtenir une uniformité et une perméabilité constantes. Le programme de qualification est en cours d’achèvement, ainsi que la production de blocs Avcoat plus perméables. (Source : NASA)