Keď sa kozmická loď Orion vracala späť na Zem, jej najťažšou skúškou nebol pobyt vo vákuu ani let okolo Mesiaca. Najkritickejší moment nastal až pri návrate do atmosféry. Práve vtedy sa kapsula rútila rýchlosťou takmer 40-tisíc kilometrov za hodinu a čelila teplotám vyšším než 2 700 stupňov Celzia. To je približne dvojnásobok teploty roztavenej lávy. Prežitie posádky preto stálo na jednom z najdôležitejších prvkov celej lode, na tepelnom štíte.
Orion je kľúčovou súčasťou programu Artemis, ktorým sa NASA vracia k pilotovaným letom k Mesiacu. Pri návrate na Zem však nestačí len pevná konštrukcia. Kapsula musí zvládnuť prostredie, v ktorom sa z bežného vzduchu pred loďou stáva rozžeravená plazma a rádiové spojenie so Zemou sa na niekoľko minút preruší.
Dedičstvo Apolla v modernej podobe
Základom ochrany Orionu je materiál Avcoat. Ide o modernizovanú verziu ablativného štítu, ktorý kedysi chránil aj astronautov programu Apollo. Materiál nechráni kapsulu tým, že zostane neporušený, ale tým, že sa postupne spaľuje a odlupuje.
Práve tento proces, zvaný tiež ablácia, je kľúčový. Keď sa vonkajšie vrstvy materiálu menia pôsobením extrémneho tepla, odvádzajú energiu preč od lode. Vďaka tomu sa vnútro kapsuly udrží v bezpečných podmienkach aj v okamihu, keď vonkajší povrch čelí teplotám, ktoré by bežné materiály okamžite zničili.
Samotný štít má priemer približne päť metrov a ide o najväčší tepelný štít, aký NASA doteraz vyrobila. Materiál je vstrekovaný do tisícok buniek satovej štruktúry, čo umožňuje presne kontrolovať jeho správanie pri zostupe.
Pekelný návrat cez plazmu
Pri zostupe do atmosféry sa pred loďou Orion vytvorila rázová vlna, ktorá zahriala vzduch na približne 10-tisíc stupňov Celzia. To je ešte viac než povrchová teplota niektorých hviezdnych oblastí, s ktorými sa v bežnom živote nedá nič porovnať. Vzduch sa pritom zmenil na plazmu, ktorá obalila loď a na určitý čas prerušila komunikáciu s riadiacim strediskom.
Počas týchto minút boli astronauti odkázaní na techniku a systém ochrany, ktoré museli fungovať bez jediného zaváhania. Aj preto je tepelný štít považovaný za jeden z najdôležitejších prvkov celej kapsuly.
Kritické miesta chráni 3DMAT
Avcoat nie je jediným materiálom, ktorý Orion používa. Na miestach s mimoriadne vysokým mechanickým aj tepelným zaťažením NASA využila aj systém 3DMAT. Ide o trojrozmerne tkaný materiál z kremenných vlákien nasiaknutých živicou, ktorý je odolnejší proti delaminácii a mechanickému poškodeniu než staršie kompozity.
Takéto prvky sa používajú najmä tam, kde sa stretáva posádkový modul so servisnou časťou a kde musia komponenty naraz zvládať obrovské sily aj extrémne teploty.
Poučenie z Artemis I
NASA pritom neprichádzala k tejto technike bez problémov. Po misii Artemis I inžinieri zistili, že štít sa opotreboval viac, než pôvodne čakali. Príčinou bol takzvaný skip manéver, pri ktorom kapsula dočasne „odskočila“ od atmosféry. Pri tomto procese sa v póroch materiálu rozšírili plyny a časť štítu sa začala odlupovať výraznejšie, než predpokladali simulácie.
Pri Artemis II preto NASA návratový profil upravila a tomuto manévru sa vyhla. Do budúcnosti zároveň pripravuje novú verziu Avcoatu, ktorá by mala ešte lepšie zvládať podobné extrémy.
