스페이스 클럽 NASA가 재진입 시 승무원을 보호할 것이라 확신하는 아르테미스 2 열 차폐판

[발사통제동]

아르테미스 2 열 차폐판은 케네디 우주센터에서 점검을 받고 있으며, 오리온 캡슐 바닥에 설치되어 달 주위를 도는 비행을 마치고 금요일에 네 명의 우주비행사를 지구로 데려갑니다. 열 차폐막은 재진입 시 최대 5,000도까지 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 이미지: NASA.

아르테미스 2호 오리온 승무원 캡슐이 달을 돌고 지구로 돌아오면, 태평양 위 약 75마일 상공에서 시속 24,000마일의 빠른 속도로 대기권에 진입할 것이며, 뉴욕에서 런던까지 10분 이내에 비행할 수 있을 것입니다.

몇 초 만에 폭 16.5피트의 열 차폐막 전체의 온도가 약 5,000도까지 상승하는데, 이는 태양 표면의 절반 정도 뜨겁습니다. 함선은 대기 마찰로 인해 전기로 충전된 화염구 속에서 급격히 감속됩니다.

탑승한 네 명의 우주비행사들—아르테미스 2호 함장 리드 와이즈먼, 빅터 글로버, 크리스티나 코흐, 그리고 캐나다 우주비행사 제레미 한센—은 열 차폐막이 그들을 안전하고 쾌적한 환경에서 지켜주길 기대하고 있다. 그리고 태평양에서 낙하산 보조 착수까지 마무리한다.

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"우리는 이 시스템, 열 차폐막, 낙하산, 그리고 우리가 조립한 회수 시스템에 대해 높은 신뢰를 가지고 있다,"고 NASA 부국장 아밋 크샤트리야가 목요일에 말했다. "공학적으로 지원하고, 아르테미스 1 비행 데이터도 이를 뒷받침합니다. 모든 지상 테스트와 분석 결과가 이를 뒷받침하며, 내일 승무원들은 그 자신감에 목숨을 걸 것입니다."

승무원과 임무 관리자들은 2022년 무인 아르테미스 1 시험 비행 당시 사용된 열 차폐막에 큰 문제가 있었음에도 자신감을 가지고 있습니다. 아브코트 소재가 방패를 구성하는 표면 아래 균열과 가스 주머니가 발생해 보호 장벽의 외부 '숯'층 일부를 날려버렸습니다.

거의 2년에 걸친 시험과 분석을 바탕으로, 엔지니어들은 손상이 아브코트 소재가 재진입의 특정 단계에서 외부 온도가 낮아지고 내부 층이 매우 높게 유지되는 동안 투과성이 부족해 가스가 빠져나가지 못한 데서 비롯된 것으로 보인다는 사실에 놀랐다.

기관 경영진은 하류 아르테미스 임무를 위해 다른 열 차폐 설계를 주문하기로 결정했습니다. 하지만 아르테미스 2 비행용 열 차폐막은 이미 아르테미스 1에 사용된 것과 동일한 것이 설치되어 있었다. 새로운 설계로 교체했다면 임무가 18개월 이상 지연되었을 것이다.

대신 NASA 관리자들은 시험 데이터와 철저한 분석을 바탕으로 아르테미스 2를 "현 그대로" 발사하기로 결정했는데, 이는 아르테미스 1 비행 이후 발생한 온도 및 압력 변화를 제거하기 위해 재진입 궤적을 수정하면 방패가 제대로 작동할 것임을 시사했다.

와이즈먼은 "그들은 우리가 이전에 사용하지 않았던 몇몇 시설에서 엄청난 연구를 했고, 근본 원인을 발견했다"고 말했다.

"그들은 풍동 실험, 레이저 시험, 초고속 시험을 거쳤고, 만약 우리가 이 상승 프로파일로 들어온다면... 이 열 차폐막이 우리가 안전하게 날아갈 수 있을 거라는 것.

"그래서 이 모든 것이 선의 방향을 가리킨다고 생각합니다,"라고 그는 말했습니다. "그리고 만약 당신이 이 로켓에 탑승하려는 인간으로서 우리가 참석한 회의에 참석해 전문가들의 이야기를 듣고 데이터를 함께 검토했다면, 같은 편안함을 느꼈을 거라고 생각합니다."

아르테미스 1에서 무엇이 잘못됐나요

아르테미스 1 임무 동안, 무인 캡슐은 계획된 '스킵' 궤적을 따랐는데, 이는 평평한 돌을 잔잔한 물 위를 건너뛰는 것과 유사한 개념이었습니다. 아르테미스 1호 캡슐은 상층 대기로 처음 하강한 후, 다시 스킵 아웃되어 최종 하강을 하여 착수했다.

스킵 재진입은 우주선 속도를 줄이는 데 도움을 주며, 악천후로 인해 목표 착륙 지점이 어려워질 경우 NASA에 더 다양한 착수 옵션을 제공합니다.

비행 후 보열판 손상에도 불구하고, 아르테미스 1호 재진입은 성공했다. 캡슐은 목표에 착륙했으며, 관계자들은 만약 우주비행사가 탑승해 있었다면 아무 문제도 없었을 것이라고 말했다. 하지만 이 피해로 인해 NASA에 경보가 울렸습니다.

"NASA는 오리온의 열 차폐막에서 나온 소모형 열 보호재가 지구 대기권 재진입 시 예상과 다르게 마모된 100곳 이상의 장소를 확인했다"고 NASA 감사관실은 썼다.

"열 차폐막은 아르테미스 1 임무 동안 승무원 모듈과 시스템을 성공적으로 보호했지만, 오리온 회수 후 점검 중 엔지니어들은 재진입 시 캡슐을 열로부터 보호하는 소모 소재인 열 차폐막 아브코트의 외관에 예상치 못한 변화가 있음을 발견했습니다.

"구체적으로, 숯 층의 일부 부분이 NASA 엔지니어들이 예측한 것과 다르게 마모되어 우주선이 부서지고 파편으로 떨어져 나가 설계대로 녹아내리지 않고 잔해의 흔적을 남겼습니다. Avcoat의 예상치 못한 행동은 열 차폐막이 향후 임무에서 재진입 시 극심한 열로부터 캡슐 시스템과 승무원을 충분히 보호하지 못할 위험을 만듭니다."

테스트 결과 손상은 열 차폐막의 투과성, 아니 그 부족과 관련이 있음을 밝혀냈다.

입구 가열은 Avcoat의 외부 숯층을 충분히 투과시켜 가스가 빠져나갈 수 있게 만드는 원인입니다. 아르테미스 1호 열 차폐막은 대기권으로 처음 하강할 때는 정상적으로 작동했지만, 다시 탈출할 때 재진입 가열이 완화되고 외부 숯층의 투과성이 크게 줄어들었습니다.

그 밑 물질은 여전히 매우 뜨거웠고, 산소 없이 연소되는 열분해(pyrolysis)라는 과정을 거쳐 가스를 배출했으며, 이 가스는 탈출할 수 없었다. 그 축적된 물들이 결국 열 차폐막의 외피 일부를 날려버렸습니다.

"첫 번째 진입 이후로 다시 올라가고 있는데, 여전히 뜨겁고 가스를 내뿜고 있다"고 조사에 정통한 한 엔지니어가 말했다. "물질 자체가 충분히 투과성이 없기 때문에 가스 압력이 매우 빠르게 올라가고 있어요, 아직도 뜨거워서요. 하지만 숯 덩어리가 잠시 멈췄어."

그는 외부 숯층이 "아르테미스 1과 아르테미스 2의 열 차폐막에서 실제로 숨을 쉴 수 있게 하거나 가스를 방출할 수 있게 하는 유일한 부분"이라고 말했습니다. 그래서 일단 그것이 멈추면, 열 차폐막 깊은 부분에는 그 가스가 빠져나갈 메커니즘이 없어."

"그래서 압력이 쌓였고, 캡슐이 내려와 다시 가열되기 시작할 때 이미 압력이 있었어요. 그 모든 균열, 주머니들은 이미 형성되어 있었다. 그리고 이제, 빵, 빵, 펑. 애브코트는 두 번째 기록 때부터 벗겨지기 시작했어."

아르테미스 1호 열 차폐판은 2022년 무인 시험 비행 후 재진입 중 예상치 못한 손상을 입었습니다. 내부 가열로 인해 가스가 발생해 외부를 통해 배출할 방법이 없어 외부 '숯'층의 일부가 날아가 버렸습니다. 이미지: NASA.수정된 재진입 궤적은 우수한 열 차폐 성능을 보장할 것입니다

엔지니어들은 실험실 테스트에서 수정된 스킵 진입 궤적, 즉 상층 대기로 처음 잠입한 후 짧은 시간 동안 다시 상승하는 방식으로 Avcoat가 내내 '숨 쉴' 수 있게 하여 균열과 갇힌 가스의 형성을 막는다는 것을 확인했다. 독립 심사팀도 그 결론에 동의했다.

흥미롭게도 아폴로 엔지니어들은 Avcoat의 투과성 문제를 인지하고 그 프로그램의 열 차폐막을 그에 맞게 설계했습니다. 아폴로 캡슐도 스킵 재진입 궤적을 사용했으며 문제 없었습니다. 하지만 아르테미스 열 차폐막에 사용된 아브코트는 약간 변형되었고, 그 결과 투과성에 영향을 미쳤습니다.

어쨌든 아르테미스 2의 수정된 재진입 궤적의 단점은 오리온 캡슐이 계획된 착수 구역의 악천후를 피하기 위해 비행 거리를 줄여줄 것입니다. 또한 하강 중 지속 가열이 증가하지만, 엔지니어들은 이것이 외부 숯층의 투과성을 유지하고 좋은 성능을 보장하는 데 꼭 필요한 것이라고 말합니다.

전 우주비행사 찰스 카마르다는 이에 동의하지 않으며, '현대로의 비행' 결정에 강하게 비판한다. 그는 엔지니어들이 아르테미스 1 열 차폐막 손상의 근본 원인을 완전히 이해하지 못하며, 아르테미스 2 열 차폐판이 어떻게 작동할지, 또는 수정된 진입 궤적이 의도치 않은 결과를 초래할지 정확히 예측할 수 없다고 주장합니다.

NASA 국장에게 보낸 편지에서 카마르다는 "역사는 사고가 조직이 자신들이 이해하지 못하는 문제를 이해한다고 스스로 확신할 때 발생한다는 것을 보여준다"고 썼다.

와이즈먼과 마찬가지로 글로버도 아르테미스 1 문제에 대한 분석을 신뢰하며, 비평가들이 "처음부터 이 회의에 참석해 팀을 만나 눈을 마주치고 회의 끝에 악수한 적이 없다"고 말한다.

그럼에도 불구하고 그는 "그들이 한 말을 무시하고 싶지 않다. 화재에 대해 이야기할 때마다, 진입 및 열 차폐에 대해 이야기할 때마다, 낙하산에 대해 이야기할 때마다, 이것들은 고위험 상태입니다... 내결함 기능이 내장되어 있지 않습니다. 그들은 반드시 일해야 한다."

"그래서 그들이 저지른 모든 밀어붙이고, 찌르고, 찔러보는 것에 감사해요. 그들은 우리에게 연필을 깎고 그 과정에 더 많은 실사와 경계심을 쏟게 만들었습니다. 하지만 우리는 이미 그렇게 했다고 생각합니다. 그래서 그 팀 덕분에 스태프들이 편안함을 느끼는 것 같아요."

스페이스 클럽(Space Club)