Este artículo fue publicado originalmente en La conversación. La publicación contribuyó con el artículo a Space.com. Voces de expertos: artículos de opinión y opiniones. Marcos Fernandez Tous es profesor de tecnología aeroespacial en la Universidad de Dakota del Norte.
Frente a la costa de Baja California, en diciembre de 2022, el sol brillaba sobre el mar agitado mientras las olas chapoteaban alrededor del barco del muelle USS Portland. Los oficiales de la Marina en cubierta escudriñaron el cielo en busca de una señal. El resplandor apareció de repente.
Al principio era una mancha diminuta, pero poco a poco creció hasta convertirse en un círculo redondo que caía a gran velocidad desde los confines del espacio. Era de la NASA cápsula de oriónque pronto pondría fin a los 25 días misión artemisa i alrededor y más allá la luna con un amerizaje ardiente al océano.
El reingreso de Orión Siguió una trayectoria en un ángulo muy pronunciado, durante la cual la cápsula cayó a una velocidad increíble antes de desplegar tres paracaídas rojos y blancos. Cuando la misión terminó su viaje de más de 435.000 kilómetros (270.000 millas), a quienes estaban en la cubierta del USS Portland les pareció que la cápsula había llegado a casa en una sola pieza.
Como el equipo de recuperación lLlevé a Orion a la cubierta del portaaviones.ondas de choque recorrieron la superficie de la cápsula. Fue entonces cuando los miembros de la tripulación comenzaron a detectar grandes grietas en la superficie inferior de Orión, donde el exterior de la cápsula se une a su escudo térmico.
Pero ¿por qué un escudo que ha soportado temperaturas de unos 5.000 grados Fahrenheit (2.760 grados Celsius) no sufriría daños? Parece natural, ¿verdad?
Esta misión, Artemisa I, estaba destripado. Pero el objetivo final de la NASA es enviar humanos a la luna en 2026. (El objetivo ahora es 2027.) Entonces, la NASA necesitaba asegurarse de que cualquier daño a la cápsula, incluso su escudo térmico, que está destinado a sufrir algún daño, no pondría en riesgo las vidas de una futura tripulación.
El 11 de diciembre de 2022, el momento del reingreso de Artemis I, este escudo sufrió graves daños, lo que retrasó las dos siguientes misiones de Artemis. Si bien los ingenieros ahora están trabajando para evitar que vuelvan a ocurrir los mismos problemas, la nueva fecha de lanzamiento apunta a abril de 2026 y se acerca rápidamente.
como un profesor de tecnología aeroespacialDisfruto investigando cómo los objetos interactúan con la atmósfera. Artemis I ofrece un caso particularmente interesante y un argumento de por qué tener un escudo térmico funcional es fundamental para una misión de exploración espacial.
tomando el calor
Para entender qué le pasó exactamente a Orión, rebobinemos la historia. Cuando la cápsula volvió a entrar en la atmósfera de la Tierra, comenzó rozando sus capas superioresque actúa como un trampolín y absorbe parte de la energía cinética de la nave que se acerca. Esta maniobra fue cuidadosamente diseñada para disminuir gradualmente la velocidad de Orión y reducir el estrés térmico en las capas internas del escudo.
Después de la primera inmersión, Orion rebotó hacia el espacio en una maniobra calculada, perdiendo parte de su energía antes de volver a sumergirse. Esta segunda inmersión lo llevaría a capas más bajas con aire más denso a medida que se acercara al océano, disminuyendo aún más su velocidad.
Mientras caía, el arrastre de la fuerza de las partículas de aire contra la cápsula ayudó a reducir su velocidad de aproximadamente 27.000 millas por hora (43.000 kilómetros por hora) a aproximadamente 20 mph (32 kph). Pero esta desaceleración tuvo un costo: la fricción del aire fue tan grande que las temperaturas en la superficie inferior de la cápsula frente al flujo de aire alcanzaron los 5.000 grados Fahrenheit (2.760 grados Celsius).
A estas temperaturas abrasadoras, las moléculas de aire comenzaron a dividirse y una mezcla caliente de partículas cargadasllamado plasma, formado. Este plasma irradiaba energía, que se podía ver como aire inflamado rojo y amarillo que rodeaba la parte delantera del vehículo y lo envolvía hacia atrás en forma de vela.
Ningún material en la Tierra puede soportar este ambiente infernal sin sufrir daños graves. Entonces, los ingenieros detrás de estas cápsulas diseñaron una capa de material llamada escudo térmico para ser sacrificado mediante fusión y evaporación, salvando así el compartimento que eventualmente albergaría a los astronautas.
Al proteger a cualquiera que algún día pueda estar dentro de la cápsula, El escudo térmico es un componente crítico..
En forma de caparazón, es este escudo el que encapsula el extremo ancho de la nave espacial, de cara al flujo de aire entrante, la parte más caliente del vehículo. Está fabricado con un material que está diseñado para evaporar y absorber la energía producida por la fricción del aire contra el vehículo.
El caso de Orión
Pero, ¿qué pasó realmente con el escudo térmico de Orión durante ese descenso de 2022?
En el caso de Orion, el material del escudo térmico es un compuesto de un resina llamada Novolac – pariente de la baquelita de la que están hechas algunas armas de fuego – absorbida en una estructura alveolar de hilos de fibra de vidrio.
A medida que la superficie se expone al calor y al flujo de aire, la resina se derrite y retrocede, dejando al descubierto la fibra de vidrio. La fibra de vidrio reacciona con el aire caliente circundante, produciendo una estructura negra llamada carbón. Este carbón actúa entonces como una segunda barrera térmica.
La NASA utilizó el mismo diseño de escudo térmico para Orion que la cápsula Apollo. Pero durante las misiones Apolo, la estructura carbonizada no se rompió como ocurrió en Orión.
Después de casi dos años analizando muestras del material carbonizado, La NASA concluyó que El equipo del proyecto Orión había sobreestimado el flujo de calor cuando la nave rozó la atmósfera al reingresar.
A medida que Orión se acercaba a las capas superiores de la atmósfera, el escudo comenzó a derretirse y gases producidos que puede haber escapado a través de los poros del material. Luego, cuando la cápsula volvió a ganar altura, las capas exteriores de la resina se congelaron, atrapando el calor de la primera inmersión en el interior. Este calor vaporizó la resina.
Cuando la cápsula se sumergió en la atmósfera por segunda vez, el gas se expandió antes de encontrar una salida mientras se calentaba nuevamente, algo así como un lago congelado. se descongela hacia arriba desde abajo – y su fuga Produjo grietas en la superficie de la cápsula. donde la estructura del carbón se dañó. Estas fueron las grietas que el equipo de recuperación vio en la cápsula después de que cayera.
En una conferencia de prensa celebrada el 5 de diciembre de 2024, funcionarios de la NASA anunciaron que la misión Artemis II se diseñará con una trayectoria de reentrada modificada para evitar la acumulación de calor.
Para Artemis III, cuyo lanzamiento está previsto para 2027, la NASA tiene la intención de utilizar nuevos métodos de fabricación para el escudo, haciéndolo más permeable. El exterior de la cápsula aún se calentará mucho durante el reingreso y el escudo térmico aún se evaporará. Pero estos nuevos métodos ayudarán a mantener a los astronautas cómodos en la cápsula durante todo el aterrizaje.
Chonglin Zhangprofesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Dakota del Norte, ayudó en la investigación de este artículo. Lea el artículo original.