Enquanto Artemis II volta para a Terra, a tripulação aposta suas vidas no escudo térmico

Quando o Ártemis II Cápsula da tripulação Orion retorna à Terra na sexta-feira após voando ao redor da luaatingirá a atmosfera discernível a cerca de 120 quilómetros acima do Oceano Pacífico, a uma velocidade estonteante de 40.000 km/h – suficientemente rápido para voar de Los Angeles a Nova Iorque em cerca de 6 minutos.

Em segundos, as temperaturas em todo o seu escudo térmico de 16,5 pés de largura subirão para cerca de 5.000 graus – metade da temperatura da superfície visível do Sol – à medida que a nave abranda rapidamente numa bola de fogo eletricamente carregada de fricção atmosférica.

O quatro astronautas a bordo – o comandante Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch e o astronauta canadense Jeremy Hansen – contam com o escudo térmico para mantê-los seguros, em um ambiente confortável, durante todo o percurso desde a zona de pico de aquecimento até uma queda assistida por pára-quedas no Pacífico, na costa da Califórnia.

“Temos grande confiança no sistema, no escudo térmico, nos pára-quedas e nos sistemas de recuperação que montamos”, disse Amit Kshatriya, administrador associado da NASA, na quinta-feira. “A engenharia apoia isso, os dados de voo do Artemis I apoiam isso. Todos os nossos testes de solo apoiam isso, nossa análise apoia isso, e amanhã a tripulação vai colocar suas vidas por trás dessa confiança.”

A tripulação e os gestores da missão estão confiantes, dizem eles, apesar dos grandes problemas com o escudo térmico que foi usado durante o voo de teste não pilotado do Artemis I em 2022, quando o materials Avcoat que compunha o escudo desenvolveu fissuras subterrâneas e bolsas de gás que explodiram pedaços da camada externa de “carvão” da barreira protetora.

Com base em quase dois anos de testes e análises, os engenheiros ficaram surpresos ao descobrir que o dano foi provavelmente causado pela falta de permeabilidade do materials Avcoat durante uma fase específica da reentrada, quando o escudo estava experimentando temperaturas externas mais baixas, enquanto as camadas internas ainda eram extremamente altas, gerando gás que não conseguia escapar.

Os gerentes da agência decidiram encomendar um design diferente de escudo térmico para missões Artemis posteriores. Mas o escudo térmico do voo Artemis II, idêntico ao usado no Artemis I, já estava instalado. Substituí-lo por um novo design teria atrasado a missão em 18 meses ou mais.

Em vez disso, os gestores da NASA optaram por lançar o Artemis II “tal como está” com base em dados de testes e numa análise exaustiva que indicava que o escudo funcionaria correctamente se a trajectória de reentrada fosse modificada para eliminar as oscilações de temperatura e pressão que contribuíram para os danos observados após o voo do Artemis I.

“Eles fizeram uma enorme quantidade de pesquisas, muitas pesquisas inovadoras em algumas instalações que não havíamos usado antes, e descobriram a causa raiz”, disse Wiseman.

“Eles fizeram testes em túnel de vento, testes de laser e testes de hipervelocidade, e determinaram que se chegarmos com esse perfil elevado… esse escudo térmico será seguro para voarmos.

“Então acho que tudo isso aponta na direção do bem”, disse ele. “E eu acho que se você, como ser humano que estava prestes a embarcar neste foguete, tivesse participado das reuniões em que participamos e ouvido os especialistas e analisado os dados com eles, você teria o mesmo conforto.”

O que deu errado com Artemis I?

Durante a missão Artemis I, a cápsula não pilotada seguiu uma trajetória planejada de “salto”, semelhante em conceito a saltar uma pedra plana em águas paradas. Depois de um mergulho inicial na atmosfera superior, a cápsula Artemis I saltou novamente antes de fazer a sua descida ultimate para a queda. A reentrada saltada ajuda a reduzir a velocidade da espaçonave, ao mesmo tempo que oferece à NASA uma gama mais ampla de opções de splashdown, caso o mau tempo torne problemático um native de pouso direcionado.

Apesar dos danos no escudo térmico observados após o voo, a reentrada do Artemis I foi bem-sucedida. A cápsula pousou no alvo e as autoridades disseram que se algum astronauta estivesse a bordo, não teria tido problemas. Mas o dano disparou o alarme na NASA.

“A NASA identificou mais de 100 locais onde o materials de proteção térmica ablativo do escudo térmico de Orion se desgastou de forma diferente do esperado durante a reentrada na atmosfera da Terra”, escreveu o Gabinete do Inspetor Geral da NASA.

“Embora o escudo térmico tenha protegido com sucesso o Módulo da Tripulação e seus sistemas durante a missão Artemis I, após a inspeção após a recuperação da Orion, os engenheiros notaram variações inesperadas na aparência do escudo térmico Avcoat – o materials ablativo que ajuda a proteger a cápsula do calor da reentrada.

“Especificamente, partes da camada de carvão se desgastaram de maneira diferente do previsto pelos engenheiros da NASA, rachando e quebrando a espaçonave em fragmentos que criaram um rastro de detritos em vez de derreterem como planejado”, disse o escritório. “O comportamento inesperado do Avcoat cria o risco de que o escudo térmico não proteja suficientemente os sistemas e a tripulação da cápsula do calor extremo da reentrada em missões futuras.”

Os testes revelaram que o dano estava relacionado à permeabilidade do escudo térmico, ou melhor, à falta dela. Após o mergulho inicial relativamente profundo na atmosfera, o materials Avcoat que compõe o escudo foi incapaz de dissipar adequadamente o calor que permaneceu em suas camadas inferiores durante o retorno para fora da atmosfera.

O aquecimento de entrada é o que torna a camada externa de carvão do Avcoat permeável o suficiente para permitir a saída do gás. O escudo térmico Artemis I funcionou normalmente durante sua descida inicial na atmosfera. Mas quando voltou, o aquecimento de reentrada diminuiu e a camada externa de carvão tornou-se muito menos permeável.

O materials subjacente ainda estava extremamente quente, passando por um processo conhecido como pirólise – combustão sem oxigênio – e gerando um gás que não tinha como escapar. Esses acúmulos eventualmente explodiram pedaços das camadas externas do escudo térmico.

“Eles voltam da primeira entrada, ainda estão quentes, ainda liberando gases”, disse um engenheiro familiarizado com a investigação. “O fato de o materials em si não ser permeável o suficiente está fazendo com que a pressão do gás aumente agora, muito rapidamente, porque eles ainda estão quentes. Mas a camada carbonizada fez uma pausa.”

A camada externa de carvão é “a única parte do escudo térmico Artemis I e Artemis II que realmente permite que ele respire ou libere gás.

“Então a pressão aumentou e, quando a cápsula voltou a descer e começou a reaquecer, a pressão já estava lá.

“Todas aquelas rachaduras, os bolsões já haviam se formado. E agora, bang, bang, bang, pop. Avcoat começou a se desprender durante a segunda entrada”, disse o engenheiro.

Uma trajetória de reentrada modificada deve resolver o problema

Os engenheiros verificaram em testes de laboratório que uma trajetória de entrada modificada – uma com um mergulho inicial na atmosfera superior seguido por uma subida de volta de curta duração – permitiria ao Avcoat “respirar” o tempo todo, evitando a formação de rachaduras e gás preso. Uma equipe de revisão independente concordou com essas conclusões.

Curiosamente, os engenheiros da Apollo estavam cientes do problema de permeabilidade do Avcoat e projetaram os escudos térmicos desse programa de acordo. As cápsulas Apollo também usaram trajetórias de salto de reentrada e não tiveram problemas. Mas o Avcoat usado nos escudos térmicos Artemis foi ligeiramente reformulado e isso acabou afetando sua permeabilidade.

Em qualquer caso, a desvantagem da trajetória de reentrada modificada do Artemis II reduzirá a distância que a cápsula Orion pode voar para evitar o mau tempo na zona de aterrissagem planejada. Também resultará em maior aquecimento sustentado durante a descida, mas os engenheiros dizem que é exatamente isso que é necessário para manter a permeabilidade na camada externa de carvão e garantir um bom desempenho.

O ex-astronauta Charles Camarda discordou, criticando fortemente a decisão de “voar como está”. Ele argumenta que os engenheiros não entendem completamente a causa raiz dos danos ao escudo térmico Artemis I e não podem prever com precisão o desempenho do escudo térmico Artemis II ou se a trajetória de entrada revisada pode ter consequências indesejadas.

Numa carta ao administrador da NASA, Camarda escreveu que “a história mostra que os acidentes ocorrem quando as organizações se convencem de que compreendem os problemas que não compreendem”.

Tal como Wiseman, Glover diz que confia na análise do problema Artemis I, dizendo que os críticos “não estiveram nestas reuniões desde o primeiro dia e conheceram a equipa e olharam-nos nos olhos e apertaram-lhes as mãos no ultimate destas reuniões”.

Dito isso, ele acrescentou: “Não quero desconsiderar as coisas que eles disseram. Sempre que você fala sobre fogo, sempre que você fala sobre entrada e escudos térmicos, fala sobre pára-quedas, essas são coisas de alto risco que… não têm tolerância a falhas incorporada. Elas têm que funcionar.”

“E então eu aprecio todas as cutucadas, cutucadas e cutucadas que eles causaram”, disse Glover. “Eles nos fizeram apontar nossos lápis e colocar mais diligência e vigilância nesse processo. Mas acho que fizemos isso. E então acho que a equipe está confortável por causa dessa equipe.”