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La NASA identifica causa de pérdida de material del escudo térmico de Orion de Artemis I


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El 28 de junio de 2024, la nave espacial Orion de Artemis II es retirada de la Celda de Ensamblaje Final y Pruebas del Sistema (FAST, por sus siglas en inglés) y colocada en la cámara de altitud oeste dentro del Edificio de Operaciones y Revisión del Centro Espacial Kennedy de la NASA en Florida. Dentro de la cámara de altitud, la nave espacial se sometió a una serie de pruebas que simulaban las condiciones de vacío del espacio profundo.
Crédito de la foto: NASA / Rad Sinyak

Read this story in English here.

Tras extensos análisis y pruebas, la NASA ha identificado la causa técnica de la pérdida imprevista de material carbonizado en el escudo térmico de la nave espacial Orion de Artemis I.

Los ingenieros determinaron que, cuando Orion regresaba de su misión sin tripulación alrededor de la Luna, los gases generados dentro del material ablativo exterior del escudo térmico, denominado Avcoat, no pudieron ventilarse y disiparse como estaba previsto. Esto permitió que se acumulara presión y se produjeran grietas, lo que causó que parte del material carbonizado se desprendiera en varios lugares.

“Nuestros primeros vuelos de Artemis son una campaña de prueba, y el vuelo de prueba de Artemis I nos dio la oportunidad de comprobar nuestros sistemas en el entorno del espacio profundo antes de incorporar a la tripulación en futuras misiones”, dijo Amit Kshatriya, administrador asociado adjunto de la Oficina del programa De la Luna a Marte, en la sede de la NASA en Washington. “La investigación sobre el escudo térmico ayudó a garantizar que comprendiéramos completamente la causa y la naturaleza del problema, así como el riesgo que les pedimos a nuestras tripulaciones que asuman cuando emprendan su viaje a la Luna”.

Los hallazgos


Los equipos técnicos adoptaron un enfoque metódico para comprender e identificar el origen del problema de pérdida de material carbonizado, incluyendo el muestreo detallado del escudo térmico de Artemis I, la revisión de las imágenes y los datos de los sensores de la nave espacial, y pruebas y análisis exhaustivos en tierra.

Durante Artemis I, los ingenieros utilizaron la técnica de guiamiento de reentrada atmosférica doble para el regreso de Orion a la Tierra. Esta técnica ofrece más flexibilidad ya que amplía el alcance del vuelo de Orion después del punto de reentrada para llevarlo hasta un lugar de amerizaje en el océano Pacífico. Con esta maniobra, Orion se sumergió en la parte superior de la atmósfera de la Tierra y utilizó la resistencia atmosférica para reducir su velocidad. A continuación, Orion utilizó la sustentación aerodinámica de la cápsula para rebotar y salir de nuevo de la atmósfera, para luego volver a entrar en el descenso final con paracaídas para su amerizaje.

Utilizando los datos de la respuesta del material Avcoat de Artemis I, el equipo de investigación pudo simular el entorno de la trayectoria de entrada de Artemis I —una parte clave para comprender la causa del problema— dentro de la instalación de chorro en arco del Centro de Investigación Ames de la NASA en California. Observaron que, durante el período entre las inmersiones en la atmósfera, las tasas de calentamiento disminuyeron y la energía térmica se acumuló dentro del material Avcoat del escudo térmico. Esto condujo a la acumulación de gases que forman parte del proceso de ablación (desgaste) previsto. Debido a que el Avcoat no tenía “permeabilidad”, la presión interna se acumuló y produjo el agrietamiento y el desprendimiento desigual de la capa exterior.

Los equipos técnicos realizaron extensas pruebas en tierra para simular el fenómeno de rebote en la reentrada antes de la misión Artemis I. Sin embargo, hicieron pruebas a velocidades de calentamiento mucho más altas que las que la nave espacial experimentó durante su vuelo. Las altas velocidades de calentamiento puestas a prueba en tierra permitieron que el material carbonizado permeable se formara y se desgastara como estaba previsto, liberando la presión del gas. El calentamiento menos severo observado durante la reentrada real de Artemis I desaceleró el proceso de formación de material carbonizado, al tiempo que siguió creando gases en esta capa de material. La presión del gas se acumuló hasta el punto de agrietar el Avcoat y liberar partes de la capa carbonizada. Las mejoras recientes en la instalación de chorro en arco han permitido una reproducción más precisa de los entornos de vuelo registrados por Artemis I, de modo que este comportamiento de agrietamiento pudo demostrarse en pruebas en tierra.

Si bien Artemis I no estaba tripulado, los datos del vuelo mostraron que, si la tripulación hubiera estado a bordo, habría estado a salvo. Los datos de la temperatura de los sistemas del módulo de tripulación dentro de la cabina también estaban dentro de los límites y se mantenían estables, con temperaturas alrededor de los 24 grados centígrados (75 grados Fahrenheit). El desempeño del escudo térmico superó las expectativas.

Los ingenieros comprenden tanto el fenómeno material como el entorno con el que interactúan los materiales durante la entrada a la atmósfera. Al cambiar el material o el entorno, pueden predecir cómo responderá la nave espacial. Los equipos de la NASA acordaron por unanimidad que la agencia puede desarrollar un análisis de vuelo aceptable que mantenga a la tripulación segura utilizando el actual escudo térmico de Artemis II con cambios operativos para su entrada en la atmósfera.

El proceso de investigación de la NASA

Poco después de que los ingenieros de la NASA descubrieran las condiciones del escudo térmico de Artemis I, la agencia comenzó un extenso proceso de investigación, el cual contó con un equipo multidisciplinario de expertos en sistemas de protección térmica, aerotermodinámica, pruebas y análisis térmicos, análisis de estrés (fatiga de materiales), pruebas y análisis de materiales, y muchos otros campos técnicos relacionados. El Centro de Ingeniería y Seguridad de la NASA también participó para aportar su experiencia técnica, incluyendo evaluación no destructiva, análisis térmico y estructural, análisis de árbol de fallas y otros métodos de respaldo de las pruebas.

“Nos tomamos muy en serio nuestro proceso de investigación del escudo térmico, con la seguridad de la tripulación como la fuerza impulsora que mueve esta investigación”, dijo Howard Hu, gerente del Programa Orion del Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston. “El proceso fue extenso. Le dimos al equipo el tiempo necesario para investigar todas las causas posibles, y trabajaron incansablemente para asegurarse de que entendiéramos el fenómeno y los pasos necesarios para mitigar este problema en futuras misiones”.

El escudo térmico de Artemis I estaba muy cargado de instrumentos para este vuelo, e incluía sensores de presión, extensómetros y termopares a diferentes profundidades del material ablativo. Los datos de estos instrumentos acrecentaron el análisis de muestras físicas, lo que permitió al equipo validar modelos informáticos, crear reconstrucciones de entornos, proporcionar perfiles de temperatura interna y dar información sobre el momento de la pérdida de material carbonizado.

Alrededor de 200 muestras de Avcoat fueron extraídas del escudo térmico de Artemis I en el Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Alabama para su análisis e inspección. El equipo llevó a cabo una evaluación no destructiva para “ver” dentro del escudo térmico.

Uno de los hallazgos más importantes que arrojó el examen de estas muestras fue que algunas superficies en la zona del Avcoat permeable, las cuales habían sido identificadas antes del vuelo, no sufrieron agrietamiento ni pérdida de material carbonizado. Dado que estas superficies eran permeables al comienzo de la entrada en la atmósfera, los gases producidos por la ablación pudieron ventilarse adecuadamente, eliminando la acumulación de la presión, el agrietamiento y la pérdida de material carbonizado.

Los ingenieros hicieron ocho campañas separadas de pruebas térmicas posteriores al vuelo para respaldar el análisis del origen de estas condiciones, y completaron 121 pruebas individuales. Estas pruebas fueron llevadas a cabo en instalaciones en diferentes lugares de Estados Unidos que cuentan con capacidades únicas, entre ellas: la Instalación de Calentamiento Aerodinámico en el Complejo de Chorro en Arco del centro Ames, para poner a prueba perfiles de calentamiento convectivo con diversos gases de prueba; el Laboratorio de Evaluación de Materiales Endurecidos por Láser en la Base de la Fuerza Aérea Patterson-Wright en Ohio, con el fin de poner a prueba perfiles de calentamiento radiativo y proporcionar radiografías en tiempo real; y la Instalación de Calentamiento por Interacción del centro Ames, para poner a prueba perfiles combinados de calentamiento convectivo y radiativo en el aire en bloques completos, esto es, aplicando todas las pruebas en cada bloque de material.

Los expertos en aerotermia también completaron dos campañas de pruebas en el túnel de viento hipersónico del Centro de Investigación Langley de la NASA en Virginia y en las instalaciones de pruebas aerodinámicas del CUBRC en Buffalo, Nueva York, para realizar pruebas con una diversidad de configuraciones de pérdida de material carbonizado, y mejorar y validar los modelos analíticos. También se realizaron pruebas de permeabilidad en el centro Kratos en Alabama, en la Universidad de Kentucky y en el centro Ames para caracterizar aún mejor el volumen elemental y la porosidad del Avcoat. La instalación de pruebas del centro de investigaciones Advanced Light Source, una instalación para usuarios científicos del Departamento de Energía de Estados Unidos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, también fue utilizada por los ingenieros para examinar el comportamiento del calentamiento del Avcoat a nivel microestructural.

En la primavera de 2024, la NASA creó un equipo de revisión independiente que realizó una revisión exhaustiva del proceso de investigación, los hallazgos y los resultados de la agencia. La revisión independiente fue dirigida por Paul Hill, un exdirectivo de la NASA que se desempeñó como director principal de vuelo del transbordador espacial para el programa Return to Flight (Regreso a los vuelos) después del accidente del Columbia, quien también dirigió la Dirección de Operaciones de Misiones de la NASA y es miembro actual del Panel Asesor de Seguridad Aeroespacial de la agencia. La revisión se llevó a cabo durante un período de tres meses a fin de evaluar las condiciones del escudo térmico posteriores al vuelo, los datos del entorno para la entrada a la atmósfera, la respuesta térmica del material ablativo y el avance de las investigaciones de la NASA. El equipo de revisión estuvo de acuerdo con los hallazgos de la NASA sobre la causa técnica del comportamiento físico del escudo térmico.

Avances en el escudo térmico

Al saber que la permeabilidad de Avcoat es un parámetro clave para evitar o minimizar la pérdida de material carbonizado, la NASA tiene la información correcta para garantizar la seguridad de la tripulación y mejorar el desempeño de los futuros escudos térmicos del programa Artemis. A lo largo de su historia, la NASA ha aprendido de cada uno de sus vuelos e incorporado mejoras en el hardware y las operaciones. Los datos recopilados a lo largo del vuelo de prueba de Artemis I han proporcionado a los ingenieros información valiosísima para guiar futuros diseños y refinamientos. Los datos de desempeño del vuelo de retorno lunar y un sólido programa de calificación de pruebas en tierra, mejorado después de la experiencia del vuelo de Artemis I, están respaldando las mejoras en la producción del escudo térmico de Orion. Los futuros escudos térmicos para el regreso de Orion en las misiones de alunizaje de Artemis están en producción para lograr una uniformidad y permeabilidad consistente. El programa de calificación se está completando actualmente, junto con la producción de bloques de Avcoat más permeables, en la Instalación de Ensamblaje Michoud de la NASA en Nueva Orleans.

Para obtener más información sobre las campañas Artemis de la NASA, visita el sitio web (en inglés):

https://www.nasa.gov/artemis

-fin-


Meira Bernstein / Rachel Kraft / María José Viñas
Sede, Washington
202-358-1600
meira.b.bernstein@nasa.gov / rachel.h.kraft@nasa.gov / maria-jose.vinasgarcia@nasa.gov

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      There’s also lots of solar radiation. Unlike Earth, which has a magnetic field that deflects much of the Sun’s radiation, Mars lost its magnetic field billions of years ago, followed by much of its atmosphere. Its surface has little protection from the Sun’s ultraviolet light (which is why researchers have looked into how rock formations and caves could provide astronauts some shielding).
      “Mars is a really harsh, tough place,” said SHERLOC science team member Joby Razzell Hollis of the Natural History Museum in London. “Don’t underestimate that — the radiation in particular is pretty nasty.”
      Razzell Hollis was a postdoctoral fellow at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California from 2018 to 2021, where he helped prepare SHERLOC for arrival on Mars and took part in science operations once the rover landed. A materials scientist, Razzell Hollis has previously studied the chemical effects of sunlight on a new kind of solar panel made from plastic, as well as on plastic pollution floating in the Earth’s oceans.
      He likened those effects to how white plastic lawn chairs become yellow and brittle after years in sunlight. Roughly the same thing happens on Mars, but the weathering likely happens faster because of the high exposure to ultraviolet light there.
      The key to developing safer spacesuit materials will be understanding how quickly they would wear down on the Martian surface. About 50% of the changes SHERLOC witnessed in the samples happened within Perseverance’s first 200 days on Mars, with the Vectran appearing to change first.
      Another nuance will be figuring out how much solar radiation different parts of a spacesuit will have to withstand. For example, an astronaut’s shoulders will be more exposed — and likely encounter more radiation — than his or her palms.
      Next Steps
      The SHERLOC team is working on a science paper detailing initial data on how the samples have fared on Mars. Meanwhile, scientists at NASA Johnson are eager to simulate that weathering in special chambers that mimic the carbon dioxide atmosphere, air pressure, and ultraviolet light on the Martian surface. They could then compare the results generated on Earth while putting the materials to the test with those seen in the SHERLOC data. For example, the researchers could stretch the materials until they break to check if they become more brittle over time.
      “The fabric materials are designed to be tough but flexible, so they protect astronauts but can bend freely,” Fries said. “We want to know the extent to which the fabrics lose their strength and flexibility over time. As the fabrics weaken, they can fray and tear, allowing a spacesuit to leak both heat and air.”
      More About Perseverance
      A key objective for Perseverance’s mission on Mars is astrobiology, including the search for signs of ancient microbial life. The rover is characterizing the planet’s geology and past climate, to help pave the way for human exploration of the Red Planet, and is the first mission to collect and cache Martian rock and regolith.
      NASA’s Mars Sample Return Program, in cooperation with ESA (European Space Agency), is designed to send spacecraft to Mars to collect these sealed samples from the surface and return them to Earth for in-depth analysis.
      The Mars 2020 Perseverance mission is part of NASA’s Mars Exploration Program (MEP) portfolio and the agency’s Moon to Mars exploration approach, which includes Artemis missions to the Moon that will help prepare for human exploration of the Red Planet.
      NASA’s Jet Propulsion Laboratory, which is managed for the agency by Caltech in Pasadena, California, built and manages operations of the Perseverance rover.
      For more about Perseverance:
      News Media Contacts
      Andrew Good
      Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.
      818-393-2433
      andrew.c.good@jpl.nasa.gov
      Karen Fox / Molly Wasser
      NASA Headquarters, Washington
      202-358-1600
      karen.c.fox@nasa.gov / molly.l.wasser@nasa.gov
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      Artemis II crew members and U.S. Navy personnel practice recovery procedures in the Pacific Ocean using a test version of NASA’s Orion spacecraft in February 2024. Credit: NASA NASA and the Department of Defense will host a media event on the recovery operations that will bring the Artemis II astronauts and the agency’s Orion spacecraft home at the conclusion of next year’s mission around the Moon. The in-person event will take place at 3 p.m. PDT on Monday, March 31, at Naval Base San Diego in California.
      A team of NASA and Department of Defense personnel are at sea in the Pacific Ocean where splashdown will take place. The team currently is practicing the procedures it will use to recover the astronauts after their more than 600,000 mile journey from Earth and back on the first crewed mission under the Artemis campaign. A test version of Orion and other hardware also will be on-hand for media representatives to view.
      Interested media must RSVP no later than 4 p.m. PDT Friday, March 28, to Naval Base San Diego Public Affairs at nbsd.pao@us.navy.mil or 619-556-7359. The start time of the event may change based on the conclusion of testing activities.
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      Artemis II will be the first test flight of the SLS (Space Launch System) rocket, Orion spacecraft, and supporting ground system with crew aboard. NASA astronauts Reid Wiseman, Victor Glover, and Christina Koch, and CSA (Canadian Space Agency) astronaut Jeremy Hansen will venture around the Moon and back. The mission is another step toward missions on the lunar surface and helping the agency prepare for future astronaut missions to Mars.
      Learn more about Artemis II at:
      https://www.nasa.gov/mission/artemis-ii/
      -end-
      Jim Wilson
      Headquarters, Washington
      202-358-1100
      jim.wilson@nasa.gov
      Madison Tuttle/Allison Tankersley
      Kennedy Space Center, Florida
      321-298-5968/321-867-2468
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      En esta ilustración se muestra al telescopio NICER (a la izquierda) montado en la Estación Espacial Internacional y al telescopio LEXI (a la derecha) sujeto a la parte superior del módulo Blue Ghost de Firefly Aerospace.NASA/Firefly Aerospace La Estación Espacial Internacional sustenta una amplia gama de actividades científicas, desde la observación de nuestro universo hasta el logro de avances en investigaciones médicas, y es un campo de pruebas activo en la tecnología para futuras misiones de exploración en la Luna y más allá. La misión Blue Ghost 1 de Firefly Aerospace aterrizó en la Luna el 2 de marzo de 2025, dando inicio a las operaciones científicas y tecnológicas en su superficie, las cuales incluyen tres experimentos que fueron evaluados o habilitados con las investigaciones de la estación espacial. Estos proyectos están ayudando a los científicos a estudiar la meteorología espacial, la navegación, y el desempeño de las computadoras en el espacio, los cuales son conocimientos cruciales para futuras misiones a la Luna.
      Uno de los experimentos, el Generador de imágenes de rayos X heliosférico para el entorno lunar (LEXI, por sus siglas en inglés), es un pequeño telescopio diseñado para estudiar el entorno magnético de la Tierra y su interacción con el viento solar. Al igual que el telescopio Explorador de la composición interior de las estrellas de neutrones (NICER, por sus siglas en inglés) que está montado fuera de la estación espacial, LEXI observa las fuentes de rayos X. LEXI y NICER observaron la misma estrella en rayos X para calibrar el instrumento de LEXI y analizar mejor los rayos X emitidos desde la atmósfera superior de la Tierra, que es el objetivo principal de LEXI. El estudio de LEXI sobre la interacción entre el viento solar y la magnetosfera protectora de la Tierra podría ayudar a los investigadores a desarrollar métodos para salvaguardar la futura infraestructura espacial y comprender cómo responde esta frontera a las condiciones meteorológicas en el espacio.
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      La Estación Espacial Internacional funciona como un importante banco de pruebas para las investigaciones que se llevan a cabo en misiones como Blue Ghost y continúa sentando las bases para las tecnologías del futuro.
      Destiny Doran
      Equipo de Comunicaciones de Investigaciones en la Estación Espacial Internacional
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      If you design a new tool for use on Earth, it is easy to test and practice using that tool in its intended environment. But what if that tool is destined for lunar orbit or will be used by astronauts on the surface of the Moon?

      NASA’s Simulation and Graphics Branch can help with that. Based at Johnson Space Center in Houston, the branch’s high-fidelity, real-time graphical simulations support in-depth engineering analyses and crew training, ensuring the safety, efficiency, and success of complex space endeavors before execution. The team manages multiple facilities that provide these simulations, including the Prototype Immersive Technologies (PIT) Lab, Virtual Reality Training Lab, and the Systems Engineering Simulator (SES).

      Lee Bingham is an aerospace engineer on the simulation and graphics team. His work includes developing simulations and visualizations for the NASA Exploration Systems Simulations team and providing technical guidance on simulation and graphics integration for branch-managed facilities. He also leads the branch’s human-in-the-loop Test Sim and Graphics Team, the Digital Lunar Exploration Sites Unreal Simulation Tool (DUST), and the Lunar Surface Mixed-Reality with the Active Response Gravity Offload System (ARGOS) projects.

      Lee Bingham demonstrates a spacewalk simulator for the Gateway lunar space station during NASA’s Tech Day on Capitol Hill in Washington, D.C. Image courtesy of Lee Bingham Bingham is particularly proud of his contributions to DUST, which provides a 3D visualization of the Moon’s South Pole and received Johnson’s Exceptional Software of the Year Award in 2024. “It was designed for use as an early reference to enable candidate vendors to perform initial studies of the lunar terrain and lighting in support of the Strategy and Architecture Office, human landing system, and the Extravehicular Activity and Human Surface Mobility Program,” Bingham explained. DUST has supported several human-in-the-loop studies for NASA. It has also been shared with external collaborators and made available to the public through the NASA Software Catalog.  

      Bingham has kept busy during his nearly nine years at Johnson and said learning to manage and balance support for multiple projects and customers was very challenging at first. “I would say ‘yes’ to pretty much anything anyone asked me to do and would end up burning myself out by working extra-long hours to meet milestones and deliverables,” he said. “It has been important to maintain a good work-life balance and avoid overcommitting myself while meeting demanding expectations.”

      Lee Bingham tests the Lunar Surface Mixed Reality and Active Response Gravity Offload System trainer at Johnson Space Center. Image courtesy of Lee Bingham Bingham has also learned the importance of teamwork and collaboration. “You can’t be an expert at everything or do everything yourself,” he said. “Develop your skills, practice them regularly, and master them over time but be willing to ask for help and advice. And be sure to recognize and acknowledge your coworkers and teammates when they go above and beyond or achieve something remarkable.”

      Lee Bingham (left) demonstrates a lunar rover simulator for Apollo 16 Lunar Module Pilot Charlie Duke. Image courtesy of Lee Bingham He hopes that the Artemis Generation will be motivated to tackle difficult challenges and further NASA’s mission to benefit humanity. “Be sure to learn from those who came before you, but be bold and unafraid to innovate,” he advised.
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