قبالة ساحل باجا كاليفورنيا في ديسمبر 2022، تألقت الشمس فوق البحر المتموج بينما كانت الأمواج تتدفق حول سفينة الرصيف يو إس إس بورتلاند. قام مسؤولو البحرية على سطح السفينة بفحص السماء بحثًا عن علامة. ظهر التوهج فجأة.
كانت بقعة صغيرة في البداية، ثم نمت تدريجيًا لتصبح دائرة مستديرة تسقط بسرعة كبيرة من أطراف الفضاء. لقد كانت كبسولة أوريون التابعة لناسا، والتي ستنهي قريبًا مهمة أرتميس 1 التي استغرقت 25 يومًا حول القمر وما وراءه بهبوط ناري في المحيط.
اتبعت عودة أوريون مسارًا حادًا، سقطت خلاله الكبسولة بسرعة مذهلة قبل نشر ثلاث مظلات حمراء وبيضاء. عندما أنهت المهمة رحلتها التي تجاوزت 270 ألف ميل (435 ألف كيلومتر)، بدت لأولئك الموجودين على سطح السفينة يو إس إس بورتلاند وكأن الكبسولة قد عادت إلى المنزل كقطعة واحدة.
عندما رفع طاقم الإنقاذ أوريون إلى سطح الحاملة، هزت موجات الصدمة سطح الكبسولة. وذلك عندما بدأ أفراد الطاقم في اكتشاف شقوق كبيرة على السطح السفلي لأوريون، حيث يرتبط الجزء الخارجي للكبسولة بدرعها الحراري.
ولكن لماذا لا يتعرض الدرع الذي يتحمل درجات حرارة تبلغ حوالي 5000 درجة فهرنهايت (2760 درجة مئوية) للضرر؟ يبدو طبيعيا فقط، أليس كذلك؟
هذه المهمة، أرتميس الأول، كانت غير مأهولة. لكن الهدف النهائي لناسا هو إرسال البشر إلى القمر في عام 2026. لذلك، احتاجت ناسا إلى التأكد من أن أي ضرر يلحق بالكبسولة – حتى درعها الحراري، الذي من المفترض أن يتحمل بعض الضرر – لن يعرض حياة المستقبل للخطر. طاقم.
في 11 ديسمبر 2022 – وقت عودة Artemis I – تعرض هذا الدرع لأضرار جسيمة، مما أدى إلى تأخير مهمتي Artemis التاليتين. وبينما يعمل المهندسون الآن على منع حدوث نفس المشكلات مرة أخرى، فإن تاريخ الإطلاق الجديد يستهدف أبريل 2026، وهو يقترب بسرعة.
كأستاذ في تكنولوجيا الطيران، أستمتع بالبحث في كيفية تفاعل الأشياء مع الغلاف الجوي. يقدم Artemis I حالة مثيرة للاهتمام بشكل خاص – وحجة حول سبب أهمية وجود درع حراري وظيفي لمهمة استكشاف الفضاء.
أخذ الحرارة
لفهم ما حدث بالضبط لأوريون، دعونا نعيد القصة. عندما عادت الكبسولة إلى الغلاف الجوي للأرض، بدأت في قشط طبقاتها العليا، التي تعمل قليلاً مثل الترامبولين وتمتص جزءًا من الطاقة الحركية للمركبة الفضائية المقتربة. تم تصميم هذه المناورة بعناية لتقليل سرعة أوريون تدريجيًا وتقليل الضغط الحراري على الطبقات الداخلية للدرع.
بعد الغوص الأول، ارتدت أوريون مرة أخرى إلى الفضاء في مناورة محسوبة، وفقدت بعضًا من طاقتها قبل الغوص مرة أخرى. وهذا الغوص الثاني سيأخذه إلى الطبقات السفلية ذات الهواء الأكثر كثافة عند اقترابه من المحيط، مما يقلل من سرعته أكثر.
أثناء السقوط، ساعد السحب الناتج عن قوة جزيئات الهواء على الكبسولة في تقليل سرعتها من حوالي 27000 ميل في الساعة (43000 كيلومتر في الساعة) إلى حوالي 20 ميلاً في الساعة (32 كم في الساعة). لكن هذا التباطؤ كان له ثمن، إذ كان احتكاك الهواء كبيرًا جدًا لدرجة أن درجات الحرارة على السطح السفلي للكبسولة التي تواجه تدفق الهواء وصلت إلى 5000 درجة فهرنهايت (2760 درجة مئوية).
عند درجات الحرارة الحارقة هذه، بدأت جزيئات الهواء في الانقسام وتشكل مزيج ساخن من الجزيئات المشحونة، يسمى البلازما. تشع هذه البلازما طاقة، والتي يمكنك رؤيتها على شكل هواء ملتهب باللونين الأحمر والأصفر يحيط بمقدمة السيارة، ويلتف حولها للخلف على شكل شمعة.
لا يمكن لأي مادة على وجه الأرض أن تتحمل هذه البيئة الجهنمية دون أن تتعرض لأضرار جسيمة. لذلك، صمم المهندسون الذين يقفون وراء هذه الكبسولات طبقة من المادة تسمى الدرع الحراري ليتم التضحية بها من خلال الذوبان والتبخر، وبالتالي الحفاظ على المقصورة التي ستأوي رواد الفضاء في النهاية.
من خلال حماية أي شخص قد يكون يومًا ما داخل الكبسولة، يعد الدرع الحراري عنصرًا بالغ الأهمية.
على شكل صدفة، هذا الدرع هو الذي يغلف الطرف العريض من المركبة الفضائية، في مواجهة تدفق الهواء الوارد – الجزء الأكثر سخونة في المركبة. وهي مصنوعة من مادة مصممة لتبخر وامتصاص الطاقة الناتجة عن احتكاك الهواء بالمركبة.
حالة أوريون
ولكن ما الذي حدث بالفعل للدرع الحراري لأوريون خلال نزول عام 2022؟
في حالة أوريون، فإن مادة الدرع الحراري عبارة عن مركب من مادة صمغية تسمى نوفولاك – نسبة إلى مادة الباكليت التي تصنع منها بعض الأسلحة النارية – والتي يتم امتصاصها في هيكل على شكل قرص العسل من خيوط الألياف الزجاجية.
عندما يتعرض السطح للحرارة وتدفق الهواء، يذوب الراتينج وينحسر، مما يؤدي إلى كشف الألياف الزجاجية. تتفاعل الألياف الزجاجية مع الهواء الساخن المحيط، مما ينتج عنه هيكل أسود يسمى شار. يعمل هذا شار كحاجز حراري ثانٍ.
استخدمت ناسا نفس تصميم الدرع الحراري لأوريون مثل كبسولة أبولو. لكن خلال مهمات أبولو، لم ينكسر هيكل شار كما حدث في أوريون.
بعد قضاء ما يقرب من عامين في تحليل عينات من المادة المتفحمة، خلصت وكالة ناسا إلى أن فريق مشروع أوريون قد بالغ في تقدير التدفق الحراري أثناء قيام المركبة بمسح الغلاف الجوي عند عودتها.
ومع اقتراب أوريون من الطبقات العليا للغلاف الجوي، بدأ الدرع في الذوبان وأنتج غازات ربما هربت من خلال المسام الموجودة في المادة. وبعد ذلك، عندما ارتفعت الكبسولة مرة أخرى، تجمدت الطبقات الخارجية من الراتينج، مما أدى إلى حبس الحرارة الناتجة عن الغوص الأول بالداخل. هذه الحرارة تبخرت الراتنج.
عندما غطست الكبسولة في الغلاف الجوي للمرة الثانية، تمدد الغاز قبل أن يجد مخرجًا حيث سخن مرة أخرى – مثلما تذوب بحيرة متجمدة إلى أعلى من القاع – وأدى هروبها إلى حدوث شقوق في سطح الكبسولة حيث بنية الفحم حصلت على أضرار. هذه هي الشقوق التي شاهدها طاقم الإنقاذ في الكبسولة بعد سقوطها.
في مؤتمر صحفي عُقد في 5 ديسمبر 2024، أعلن مسؤولو ناسا أن مهمة Artemis II سيتم تصميمها بمسار معدل لإعادة الدخول لمنع تراكم الحرارة.
بالنسبة لـ Artemis III، المقرر إطلاقه في عام 2027، تعتزم ناسا استخدام طرق تصنيع جديدة للدرع، مما يجعله أكثر نفاذية. سيظل الجزء الخارجي من الكبسولة ساخنًا جدًا أثناء إعادة الدخول، وسيظل الدرع الحراري يتبخر. لكن هذه الأساليب الجديدة ستساعد في الحفاظ على راحة رواد الفضاء في الكبسولة طوال فترة الهبوط.
ساعد تشونغ لين تشانغ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة داكوتا الشمالية، في بحث هذا المقال.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: ماركوس فرنانديز طوس، جامعة داكوتا الشمالية
اقرأ المزيد:
لا يعمل ماركوس فرنانديز توس لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.